ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ ΜΙΓΜΑΤΩΝ ΑΡΓΙΛΟΥ - ΑΜΜΟΥ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟ Ο ΤΗΣ ΨΥΞΗΣ

ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ ΜΙΓΜΑΤΩΝ ΑΡΓΙΛΟΥ - ΑΜΜΟΥ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟ Ο ΤΗΣ ΨΥΞΗΣ Κ.Α. Αναγνωστόπουλος, ρ. Πολιτικός Μηχανικός, Α.Π.Θ. Ι.Ν. Γραµµατικόπουλος, Επίκουρος Καθηγητής, Α.Π.Θ. Λέξεις κλειδιά: ψύξη εδαφών, θλιπτική αντοχή, εφελκυσµός, συνοχή. ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η εφαρµογή της µεθόδου της ψύξης σε εδαφικούς σχηµατισµούς δίνει άµεσες βραχυπρόθεσµες λύσεις σε διάφορα µεγάλα τεχνικά έργα, όπως προσωρινή αντιστήριξη παγοποιηµένου µετώπου ορύγµατος για τη θεµελίωση βάθρων οδογεφυρών, διάνοιξη µετώπου σήραγγας ή σε µικρότερης έκτασης τεχνικά έργα σύµφωνα µε την αναγκαιότητα διέλευσης ενός δρόµου. Η ψύξη του εδάφους επί τόπου του έργου δια µέσω υγρού αζώτου επιφέρει τα εξής πλεονεκτήµατα: - Μεγάλη αντοχή του παγοποιηµένου εδάφους λόγω της χαµηλής θερµοκρασίας που επιτυγχάνεται. - υνατότητα δραστικής επέµβασης, εξαλείφοντας ενδεχόµενες ανοµοιοµορφίες του χειρισµού. Στην περίπτωση π.χ. εκσκαφής ενός ορύγµατος, η ψύξη στα πρανή και το δάπεδο επιφέρει στεγανότητα και συνθήκες ευστάθειας ολόκληρου του εδαφικού τµήµατος που βρίσκεται µεταξύ της µέγιστης στάθµης του υπόγειου ορίζοντα και της επιφάνειας έδρασης. Έτσι στη φάση αυτή δεν υπάρχουν ροές αλλά µόνο µία σταθερή περιεχόµενη υγρασία. Για την εφαρµογή της µεθόδου της ψύξης και την υλοποίηση της κατασκευής απαιτείται η γνώση των µηχανικών ιδιοτήτων που αναπτύσσει ο εδαφικός σχηµατισµός κατά τη διάρκεια της ψύξης. Η εργαστηριακή έρευνα που πραγµατοποιήθηκε είχε ως στόχο τη µελέτη των µηχανικών χαρακτηριστικών ψυχθέντων δοκιµίων αργίλου-άµµου και το συσχετισµό τους µε φυσικά χαρακτηριστικά όπως η φυσική υγρασία. Για την πραγµατοποίηση των εργαστηριακών δοκιµών ψύχθηκαν εδαφικά δοκίµια, αποτελούµενα από διάφορες αναλογίες αργίλου-άµµου, σε θερµοκρασία -14 ο C. Η περιεχόµενη φυσική υγρασία, η τάση προφόρτισης και η αναλογία σύνθεσης των δοκιµίων, ως παράµετροι που επιδρούν στις µηχανικές ιδιότητες του ψυχθέντος εδαφικού δοκιµίου, µελετήθηκαν µε αποτέλεσµα την εξαγωγή σηµαντικών συµπερασµάτων για την εφαρµογή αυτής της µεθόδου. 1

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η φύση και η µηχανική συµπεριφορά των µη παγοποιηµένων εδαφών έχει µελετηθεί από πολλούς ερευνητές σε αντίθεση µε τα φυσικά χαρακτηριστικά των ψυχθέντων εδαφών τα οποία παρουσιάζουν µια αξιοσηµείωτη πολυπλοκότητα. Ένα παγωµένο έδαφος παρουσιάζει µεγαλύτερη αντοχή από ότι στην µη παγοποιηµένη κατάσταση ή από τον πάγο (Crurda & Hohmann, 1997). Εντούτοις, εµφανίζει ερπυστική τάση παρόµοια µε αυτήν του πάγου, ενώ η τριπτική συµπεριφορά του είναι πλησίον αυτής στη φάση της µη παγοποίησης (Wei & Chang, 2002). Σε αντίθεση µε τα µη παγοποιηµένα εδάφη, η αντοχή των ψυχθέντων εδαφών µειώνεται σε υψηλές πλευρικές πιέσεις, αφού προηγουµένως έχει φθάσει µια µέγιστη τιµή (Chamberlain, 1985). Η αντοχή ενός ψυχθέντος εδάφους µπορεί να θεωρηθεί ότι είναι το αποτέλεσµα της συνοχής της µάζας του πάγου και της τριπτικής αντίστασης των κόκκων του εδάφους (Guymon et al., 1980). Ωστόσο, η θεώρηση αυτή δεν είναι απολύτως σωστή. Το παγωµένο έδαφος είναι ένα σύνθετο πολυφασικό σύστηµα που απαρτίζεται από κόκκους, παγωµένο νερό και αέρα (Li et al., 2002). Αναµφισβήτητα οι µηχανικές ιδιότητές του καθορίζονται από την παρουσία ενός λεπτού υµένιου από µη ψυχθέν ύδωρ γύρω από τους κόκκους του εδάφους ενώ ο σχηµατισθέν πάγος κείται πλησίον του υµένιου δίχως να είναι σε απευθείας επαφή µε τους κόκκους (Torrance, 2003). Εκτεταµένη έρευνα έχει πραγµατοποιηθεί όσον αφορά την αντοχή και την ακαµψία χονδρόκοκκων εδαφών ψυχθέντα σε θερµοκρασίες πολύ κάτω του µηδενός (Sage & D' Andrea, 1988). Στην περίπτωση όµως των παγοποιηµένων αργιλικών εδαφών δεν υπάρχει αξιοσηµείωτη έρευνα. Το ψυχθέν σύστηµα αργίλου-ιλύος διαφέρει από αυτό των ψαθυρών εδαφών. Τα συνεκτικά εδάφη απαρτίζονται από µικρότερους κόκκους µε µεγαλύτερη ειδική επιφάνεια και κατά συνέπεια εµπεριέχουν ποσότητα µη παγοποιηµένου νερού (Ono, 2002). Επιπρόσθετα, σηµαντική επιρροή στη δοµή των ψυχθέντων λεπτόκοκκων εδαφών, τη µέση πυκνότητα και τον προσανατολισµό των κόκκων τους έχει η ορυκτολογική τους σύσταση. Η διερεύνηση της διατµητικής αντοχής παγοποιηµένων αργιλικών εδαφών και των παραµέτρων που την διαµορφώνουν είναι ιδιαίτερης σηµασίας καθότι σε πολλές περιπτώσεις υπέργειων ή υπόγειων κατασκευών είναι απαιτητή η ύπαρξη εδαφικού σχηµατισµού υψηλής αντοχής και στεγανότητας, κάτι το οποίο µπορεί να επιτευχθεί µε τη µέθοδο της ψύξης. Στην εικόνα 1 απεικονίζεται η εφαρµογή αυτής της µεθόδου κατά τη διάνοιξη σήραγγας (Bielefeld, Germany) σε αλουβιακές αποθέσεις αποτελούµενες από κορεσµένες στρώσεις αργιλοιλυώδους λεπτής άµµου. Η παρούσα εργασία µελετά σε εργαστηριακό επίπεδο τις µηχανικές παραµέτρους παγοποιηµένων δοκιµίων µιγµάτων αργίλου και λεπτής άµµου, τα οποία πριν την ψύξη έχουν υποστεί διάφορες τάσεις προφόρτισης και κατ' επέκταση περιέχουν διάφορα ποσοστά φυσικής υγρασίας, µε σκοπό τη διεξαγωγή χρήσιµων συµπερασµάτων όσον αφορά την αποτελεσµατικότητα αυτής της µεθόδου στην αύξηση της αντοχής τους. 2

Εικόνα 1. Εφαρµογή της µεθόδου της ψύξης κατά τη διάνοιξη σήραγγας σε αλουβιακές αποθέσεις. 2 ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Για το σκοπό της έρευνας αυτής χρησιµοποιήθηκε άργιλος προερχόµενη από γεωτρήσεις σε αργιλική στρώση στην ευρύτερη περιοχή της Θεσ/νίκης. Τα επί τόπου κύρια χαρακτηριστικά της αναφέρονται στον πίνακα 1 ενώ η κοκκοµετρική της καµπύλη περιλαµβάνεται στην εικόνα 2. Σύµφωνα µε την κατάταξη Casagrande ορίζεται ως ανόργανη άργιλος µέσης πλαστικότητας. Πίνακας 1. Εδαφοτεχνικά χαρακτηριστικά της αργίλου Μέγεθος Τιµή Όριο υδαρότητας w L (%) 43.54 Όριο πλαστικότητας w P (%) 25.32 είκτης πλαστικότητας PI (%) 18.22 Περιεκτικότητα σε νερό w (%) 25.16 Ενεργότητα 0.67 Φαινόµενο βάρος γ (KN/M 3 ) 16.68 Ξηρό φαινόµενο βάρος γ d (KN/M 3 ) 13.33 Συντελεστής συµπιεστότητας C c 0.311 Συντελεστής διόγκωσης C as 0.093 Συνοχή c (kpa) 18.6 3

ιερχόµενο ποσοστό (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Άµµος Άργιλος 0 1 0,1 0,01 0,001 Μέγεθος κόκκων (mm) Εικόνα 2. Κοκκοµετρικές καµπύλες της άµµου και της αργίλου που χρησιµοποιήθηκαν για την παρασκευή των δοκιµίων. Η άµµος που χρησιµοποιήθηκε για την παρασκευή των δοκιµίων προέρχεται από ποτάµιες αποθέσεις και το σχήµα των κόκκων της είναι υπογωνιώδες. Το µέγεθος των κόκκων της κυµαινόταν από 0.42 έως 0.074 mm και µε συντελεστή οµοιοµορφίας υ = 2.2 (εικόνα 2). Με σχετική πυκνότητα D r = 0.95 το ξηρό φαινόµενο βάρος της άµµου είναι γ d = 14.85 kn/m 3, το φαινόµενο βάρος σε συνθήκες κορεσµού είναι γ SAT = 19.35 kn/m 3 και το πορώδες 45%. Οι εργαστηριακές δοκιµές έλαβαν χώρα σε αναζυµωµένα δοκίµια αργίλου µε περιεκτικότητα σε άµµο 0%, 10%, 20%, 30%, 40% και 50% κατά βάρος. Η παρασκευή των διαφόρων συνθέσεων πραγµατοποιήθηκε µε καλή ανάµιξη αργίλου και άµµου ταυτόχρονα µε αρκετή ποσότητα απεσταγµένου νερού ουτοσώστε να επιτευχθούν συνθήκες κορεσµού. Ύστερα τοποθετούνταν το υλικό εντός κυλινδρικών τύπων διαµέτρου d = 3.5 cm και ύψους h = 7 cm. Οι δοκιµές πραγµατοποιήθηκαν για τιµές τάσης στερεοποίησης 0.25-0.5-2- 4 Kg/cm 2. Με το πέρας της στερεοποίησης τα προς ψύξη δοκίµια τοποθετούνταν µέσα σε κατάλληλα διαµορφωµένο ψυκτικό χώρο και ψύχονταν σε θερµοκρασία -14 ο C για 24 ώρες. Τα ψυχθέντα και µη δοκίµια υποβλήθηκαν σε δοκιµές µονοαξονικής θλίψης και βραζιλιανού εφελκυσµού µε ακόλουθη καταγραφή της περιεκτικότητάς τους σε υγρασία. 3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Τα πειραµατικά αποτελέσµατα έδειξαν ότι όσο αυξανόταν η περιεκτικότητα των δοκιµίων σε άργιλο τόσο µεγαλύτερη ήταν και η µείωση της περιεχόµενης υγρασίας τους w για όλες τις τιµές της τάσης προφόρτισης σ πρ που εφαρµόσθηκαν (εικόνα 3). Η µεγαλύτερη διαφορά παρατηρήθηκε στα δοκίµια µε 100% περιεκτικότητα σε άργιλο όπου για σ πρ = 0.25 Kg/cm 2 η w ήταν 38.66% ενώ για σ πρ = 4 Kg/cm 2 η w ήταν 24.57%. Επίσης οι τιµές της w παρέµειναν υψηλότερες για τα δοκίµια µε µεγάλη περιεκτικότητα σε άργιλο σε σχέση µε τις αντίστοιχες των δοκιµίων µε χαµηλή περιεκτικότητα σε άργιλο. Η σχέση της µονοαξονικής και εφελκυστικής αντοχής των µη 4

παγοποιηµένων δοκιµίων µε την τάση προφόρτισης φαίνεται στις εικόνες 4 και 5. Οι µηχανικές ιδιότητες βελτιώθηκαν αισθητά µε την αύξηση του φορτίου στερεοποίησης γεγονός που οφείλεται στη µεγαλύτερη συµπύκνωση που υπέστησαν τα δοκίµια και κατά συνέπεια στην ανάπτυξη ισχυρότερων δεσµών µεταξύ των σωµατιδίων της αργίλου. Αυτό εξηγεί και το ότι όσο µεγαλύτερη ήταν η περιεκτικότητα των δοκιµίων σε άργιλο τόσο µεγαλύτερη ήταν και η µηχανική αντοχή τους στις διάφορες τιµές της τάσης στερεοποίησης. Περιεχόµενη υγρασία w (%) 40 35 30 25 20 15 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Εικόνα 3. Περιεχόµενη υγρασία δοκιµίων διαφόρων συνθέσεων σε σχέση µε την τάση προφόρτισης. Οι εικόνες 6 και 7 παρουσιάζουν τη µονοαξονική και εφελκυστική αντοχή των παγοποιηµένων δοκιµίων σε σχέση µε την τάση προφόρτισης. Η αύξηση των αντοχών εµφανίζεται ιδιαιτέρως εντυπωσιακή παρόλο που παρατηρείται ένα µεγάλο εύρος κύµανσης τιµών ανάλογα µε τη σύνθεση και την τάση προφόρτισης των δοκιµίων. Είναι εµφανές ότι όσο µεγαλύτερη είναι η περιεκτικότητα των δοκιµίων σε νερό (µικρή τάση προφόρτισης) τόσο µεγαλύτερη είναι και η αντοχή τους µετά την ψύξη. Αυτό οφείλεται στη διατήρηση της ισχυρής πρόσφυσης µεταξύ των κρυστάλλων του πάγου και των κόκκων του εδάφους, παρά την παρεµβολή στρώσεων από µη παγωµένο νερό, λόγω της δηµιουργίας ογκωδέστερων κρυσταλλικών σχηµατισµών πιο ανθεκτικών στην απόψυξη και το λιώσιµο του πάγου εξαιτίας της φόρτισης. Σε αντίθετη περίπτωση η αποκρυστάλλωση οδηγεί στη δηµιουργία µικροσκοπικών ρωγµών οι οποίες κάτω από δεδοµένη φόρτιση αναπτύσσονται και διαδίδονται πολύ γρήγορα σε µακροσκοπική κλίµακα συντελώντας στη µείωση της αντοχής του συστήµατος πάγου-εδάφους. Αυτό επιβεβαιώνεται και από τη µορφή θραύσης των δοκιµίων. οκίµια µε υψηλή περιεκτικότητα σε νερό όταν υφίσταντο µονοαξονική συµπίεση εµφάνιζαν ένα κύριο ή και µερικά δευτερεύοντα επίπεδα αστοχίας λόγω δευτερογενούς εφελκυσµού, ενώ δοκίµια µε χαµηλή περιεκτικότητα σε νερό εµφάνιζαν ένα ή περισσότερα επίπεδα διατµητικής θραύσης. 5

Αντοχή σε µονοαξονική θλίψη (kpa) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Εικόνα 4. Αντοχή σε µονοαξονική θλίψη µη παγοποιηµένων δοκιµίων διαφόρων συνθέσεων σε σχέση µε την τάση προφόρτισης. Εφελκυστική αντοχή (kpa) 35 30 25 20 15 10 5 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Εικόνα 5. Εφελκυστική αντοχή µη παγοποιηµένων δοκιµίων διαφόρων συνθέσεων σε σχέση µε την τάση προφόρτισης. 6

Μονοαξονική αντοχή (kpa) 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 1 2 3 4 Εικόνα 6. Μονοαξονική αντοχή παγοποιηµένων δοκιµίων διαφόρων συνθέσεων σε σχέση µε την τάση προφόρτισης. Εφελκυστική αντοχή (kpa) 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Εικόνα 7. Εφελκυστική αντοχή παγοποιηµένων δοκιµιών διαφόρων συνθέσεων σε σχέση µε την τάση προφόρτισης. Η βέλτιστη αντοχή σε µονοαξονική θλίψη και εφελκυσµό παρατηρήθηκε στα δοκίµια µε περιεκτικότητα 100% σε άργιλο, οι τιµές των οποίων κυµάνθηκαν για τις διάφορες τάσεις προφόρτισης από 5460 έως 3440 kpa για τη µονοαξονική αντοχή και από 2149 έως 1515 kpa για 7

την εφελκυστική αντοχή. Αντιθέτως, οι µικρότερες αντοχές παρουσιάσθηκαν στα δοκίµια µε τη χαµηλότερη περιεκτικότητα σε άργιλο όπου η µονοαξονική αντοχή κυµάνθηκε από 1400 έως 600 kpa ενώ η αντοχή σε εφελκυσµό από 856 έως 440 kpa. 4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η ψύξη των εδαφών έχει ως αποτέλεσµα την πολύ µεγάλη αύξηση της αντοχής τους συνέπεια του σχηµατισµού ενός άκαµπτου σκελετού πάγου. Η αύξηση αυτή εξαρτάται, όπως αποδείχθηκε στην παρούσα εργασία, αποκλειστικά από την ποσότητα του περιεχόµενου νερού εντός της µάζας των δοκιµίων. Όσο µεγαλύτερη είναι η περιεκτικότητα σε νερό τόσο υψηλότερες και οι τιµές των µηχανικών αντοχών. Αν ληφθεί υπόψη ότι η αντοχή αυξάνει µε τη µείωση της θερµοκρασίας τότε είναι ευκόλως αντιληπτό πως η µέθοδος της ψύξης µε υγρό άζωτο (-196 ο C) µπορεί να οδηγήσει στη δηµιουργία πολύ µεγαλύτερης εδαφικής αντοχής σε σχέση µε αυτήν που παρατηρήθηκε από τις εργαστηριακές δοκιµές σε δοκίµια ψυχθέντα στους -14 ο C, εφάµιλλης µε αυτή του σκυροδέµατος, και να αποτελέσει µια ουσιώδη και ασφαλή λύση σε πολλά γεωτεχνικά προβλήµατα και κατασκευές. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Chamberlain, E.J. 1985. Shear strength anisotropy in frozen saline and freshwater soils. Proc of the 45 th Int. Symp., Balkema, Rotterdam, 189-194. Sage, J.D. & D' Andrea, R.D. 1988. Long term mitigation of frost deterioration of existing road ways. Final Report, NSF Grant No ECE 85 18813, Worcester, USA, 1-105. Czurda, K.A. & Hohmann, M. 1997. Freezing effect on shear strength of clayey soils. Applied Clay Science, 12, 165-187. Ma, W. & Chang, X. 2002. Analyses of strength and deformation of an artificially frozen soil wall in underground engineering. Cold Regions Science and Technology, 34, 11-17. Torrance, J.K. 2003. A conceptual analysis of chemical factors in soil freezing and frost heave. Electronic Proceedings of 56 th Canadian Geotechnical Conference, Manitoba, Canada. Ono, T. 2002. Lateral deformation of freezing clay under triaxial stress condition using lasermeasuring device. Cold Regions Science and Technology, 35, 45-54. Li, N., Chen, F., Su, B. & Cheng, G. 2002. Theoretical frame of the saturated freezing soil. Cold Regions Science and Technology, 35, 73-80. Guymon, G., Berg, R. & Hromadka, T. 1980. A one-dimensional frost heaven model based upon simulation of simultaneous heat and water flux. Cold Regions Science and Technology, 3, 253-263. 8