Πειραµατική Μελέτη Αργιλικών οκιµίων Βελτιωµένων µε Κολώνες Άµµου και Χαλίκων. Experimental Study on Sand and Gravel Columns in Clay

Πειραµατική Μελέτη Αργιλικών οκιµίων Βελτιωµένων µε Κολώνες Άµµου και Χαλίκων Experimental Study on Sand and Gravel Columns in Clay ΑΝ ΡΕΟΥ, Π. ιδάκτωρ Μηχανικός της Σχολής Πολ. Μηχ. Ε.Μ.Π., DEA Γεωτεχνική Μηχ. (ΕΝPC), Μηχ. Μεταλλείων Ε.Μ.Π. ΠΑΠΑ ΟΠΟΥΛΟΣ, Β. ρ. Πολιτικός Μηχανικός, Τοµέας Γεωτεχνικής ΕΜΠ ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα από τις τριαξονικές δοκιµές που εκτελέστηκαν σε αργιλικά δοκίµια καολινίτη, βελτιωµένα µε κολώνα άµµου και χαλικιού, µε σκοπό να µελετηθεί η επιρροή βασικών παραµέτρων στο σχεδιασµό των χαλικοπασσάλων. Μελετήθηκε η επιρροή των συνθηκών στράγγισης του σύνθετου δοκιµίου, της κοκκοµετρικής διαβάθµισης του υλικού των πασσάλων, της τάσης πλευρικής συµπίεσης και της ταχύτητας φόρτισης. ABSTRACT : This paper studies the influence of the main controlling parameters in the design of stone columns through a series of experiments, which has been performed at the laboratory of C.E.R.M.E.S., E.N.P.C. in Paris. The effects of: (i) the drainage conditions, (ii) the grain size of the stone column material, (iii) the confining pressure of the soil, and (iv) the rate of deformation are investigated. Triaxial compression tests are performed on composite soil specimens which consist of soft kaolin clay, reconstituted from slurry with a central compacted reinforcement column. Two cases of reinforcement material are studied, namely, sand and gravel. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η βελτίωση εδαφών µε χαλικοπασσάλους αποτελεί σήµερα µια από τις πιο διαδεδοµένες µεθόδους βελτίωσης αργιλικών εδαφών. Το θεωρητικό υπόβαθρο της µεθόδου απασχόλησε έντονα τους µελετητές τη δεκαετία του 8 αλλά στη συνέχεια το ενδιαφέρον µειώθηκε κυρίως λόγω των πολλών παραγόντων που εισέρχονται στη διαστασιολόγηση καθώς και των εµπειρικών σχέσεων που προέκυψαν. Οι περιορισµένες πειραµατικές εργασίες που εκτελέστηκαν (Hughes & Withers, 1974, Charles & Watts, 1983, Bachus & Barksdale, 1984, Bergado et al., 1984) δεν κατάφεραν τελικά να µελετήσουν σε βάθος όλους εκείνους τους παράγοντες που επηρεάζουν τα τελικά αποτελέσµατα. Στο εργαστήριο Εδαφοµηχανικής C.E.R.M.E.S. της Σχολής E.N.P.C., στο Παρίσι, εκτελέστηκαν τριαξονικές δοκιµές σε αργιλικά δοκίµια καολινίτη, τα οποία είχαν βελτιωθεί µε κολώνα άµµου και χαλικιού, µε σκοπό να µελετηθεί η επιρροή βασικών παραµέτρων στο σχεδιασµό των χαλικοπασσάλων (Andreou et al., 28). Πιο συγκεκριµένα, µελετήθηκε η επιρροή των συνθηκών στράγγισης του σύνθετου δοκιµίου, της κοκκοµετρικής διαβάθµισης του υλικού των πασσάλων, της τάσης πλευρικής συµπίεσης και της ταχύτητας φόρτισης. Η συµπεριφορά των βελτιωµένων δοκιµίων συγκρίθηκε µε την πριν τη βελτίωση απόκριση των δοκιµίων, υπό τις ίδιες συνθήκες φόρτισης και στράγγισης. Παρατηρήθηκε λοιπόν ότι ακόµα και µε πολύ µικρό συντελεστή αντικατάστασης (α s =1/25=4%) η επιρροή των παραπάνω παραµέτρων είναι ιδιαίτερα σηµαντική. 2. ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ Οι τριαξονικές δοκιµές εκτελέστηκαν σε δοκίµια ύψους 2mm και διαµέτρου 1mm. Η διάµετρος της κολώνας ήταν 2mm και είχε 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 1

ύψος 2mm. Ο συντελεστής αντικατάστασης που προκύπτει από τα παραπάνω µεγέθη ήταν 1/25=4%. Εκτελέστηκαν συνολικά 22 τριαξονικές δοκιµές, οι οποίες χωρίστηκαν σε τρεις σειρές πειραµάτων. Η πρώτη σειρά πειραµάτων µελέτησε τη συµπεριφορά του αργιλικού στοιχείου (καολινίτης Speswhite) υπό στραγγιζόµενες και αστράγγιστες συνθήκες, για διάφορες τάσεις πλευρικής συµπίεσης (5, 1 και 2kPa). Στη δεύτερη σειρά πειραµάτων εκτελέστηκαν δοκιµές σε βελτιωµένα δοκίµια µε κολώνα χαλικιού (χαλίκι του Hostun) υπό αστράγγιστες συνθήκες. ιατηρήθηκαν οι ίδιες τάσεις πλευρικής συµπίεσης ώστε να συγκριθούν τα αποτελέσµατα µε αυτά για το φυσικό έδαφος. Η τελευταία σειρά τριαξονικών δοκιµών µελέτησε τη συµπεριφορά των βελτιωµένων δοκιµίων µε κολώνα άµµου (άµµος Hostun HF) υπό στραγγιζόµενες και αστράγγιστες συνθήκες. Η τάση πλευρικής συµπίεσης ήταν 5, 6, 1, 11 και 2kPa. Η ταχύτητα φόρτισης για τις δοκιµές υπό στραγγιζόµενες συνθήκες ήταν v=.3mm/min (AFNOR, NF P 94 74) ενώ για τις αστράγγιστες v=.3mm/min (ώστε να αποφεύγεται η στράγγιση). Για να µελετηθεί η επιρροή της ταχύτητας φόρτισης υπό στραγγιζόµενες συνθήκες, υπήρξαν πειράµατα που εκτελέστηκαν µε ταχύτητα v=.3mm/min. Η επανάληψη κάποιων αστράγγιστων δοκιµών έγινε µε σκοπό να ελεγχθεί η επαναληψιµότητα των αποτελεσµάτων. Η συµπεριφορά των δοκιµίων ήταν σχεδόν η ίδια. 3. ΥΛΙΚΑ Όπως προαναφέρθηκε, τα υλικά που χρησιµοποιήθηκαν είναι καολινίτης Speswhite, άµµος Hostun HF και χαλίκι Hostun. Ο καολινίτης Speswhite αντιπροσωπεύει σχετικά περατό αργιλικό έδαφος και χρησιµοποιείται αρκετά συχνά σε πειραµατικές µελέτες (Boussaid, 25). Επίσης, οι κόκκοι του είναι ιδιαίτερα λεπτοί, µε έντονη φωτεινότητα και προέρχεται από τη Νοτιοδυτική Αγγλία. Η κοκκοµετρική διαβάθµιση των τριών υλικών παρουσιάζεται στο Σχήµα 1. Η µέση διάµετρος κόκκων του καολινίτη είναι D 5 =.29mm, της άµµου Hostun HF.38mm, και του χαλικιού Hostun 1.25mm. Σηµειώνεται ότι ο χαρακτηρισµός των υλικών (άµµος, χαλίκι) γίνεται µε σκοπό την ευκολότερη διακριτοποίησή τους κατά την παρούσα µελέτη. Η αντιστοιχία της διαµέτρου της κολώνας στο πείραµα (2cm) µε το µέσο όρο της διαµέτρου των χαλικοπασσάλων στην πράξη (8-1cm) οδηγεί στην αντιστοιχία των µεγεθών του υλικού της κολώνας. ηλαδή, το υλικό της άµµου και του χαλικιού στο πείραµα αντιπροσωπεύουν χαλίκι µε µέση διάµετρο 1.5-2cm και 5-6cm αντίστοιχα στην πράξη. Τα χαρακτηριστικά της άµµου και του αργιλικού εδάφους παρουσιάζονται κατά τους Dupla (1995) και Boussaid (25) αντίστοιχα. Το χαλίκι Hostun αντιπροσωπεύει πολύ λεπτό χαλίκι µε συντελεστή ανοµοιοµορφίας C u =1.9 και ξηρό ειδικό βάρος γ d =15.6 kn/m 3. ιερχόµενο ποσοστό (%) ιάµετροςκόκκων (µm) Σχήµα 1. Καµπύλες κοκκοµετρικής διαβάθµισης του καολινίτη Speswhite, της άµµου Hostun HF και του χαλικιού Hostun Figure 1. Grain size distribution of the three soil materials, Speswhite kaolin, Hostun HF sand, and Hostun gravel, used in the experimental studies 4. ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΟΚΙΜΙΟΥ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Η αρχική πούδρα καολινίτη ανακατεύεται µε νερό σε µηχανικό αναδευτή µε ποσοστό 2:1.62, για 3 λεπτά, ώστε να δηµιουργηθεί παχύρευστος πολφός. Οι παγιδευµένες φυσσαλίδες του αέρα αφαιρούνται από το µίγµα µε ειδικό µηχάνηµα και δηµιουργείται πολφός µε ποσοστό νερού 1.4 φορές µεγαλύτερο από το όριο υδαρότητας του καολινίτη. Ορισµένες µελέτες αναφέρουν ότι παρόµοιας κατασκευής µίγµατα µειώνουν τον απαραίτητο χρόνο στερεοποίησης και δηµιουγούν οµοιογενή, κορεσµένα δοκίµια (Bachus and Barksdale, 1984). Τα δοκίµια αποκτήθηκαν από κατακόρυφη προ-στερεοποίηση του µίγµατος (πολφού) σε ειδική µήτρα µε τάσεις προ-στερεοποίησης 98 και 17kPa (Σχήµα 2). Η µήτρα επέβαλε µηδενικές πλευρικές παραµορφώσεις στο 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 2

δοκίµιο και ήταν εφοδιασµένη µε µεταλλική ράβδο στο κέντρο, ο χώρος της οποίας αποτελούσε µετέπειτα την κολώνα του δοκιµίου. Η µεταλλική ράβδος είχε διάµετρο 2mm και σε συνδυασµό µε τις διαστάσεις της µήτρας, ο συντελεστής αντικατάστασης ήταν 1/25=4%. Στις εσωτερικές πλευρές της µήτρας γινόταν λίπανση µε βαζελίνη και τοποθέτηση πορώδους χαρτιού και ζελατίνης, πριν την τοποθέτηση του πολφού, ώστε να µειωθούν οι τριβές µε το δείγµα κατά τη διάρκεια της προστερεοποίησης. Με τον τρόπο αυτό, επιταγχυνόταν και η πρωτογενής στερεοποίηση. Η τοποθέτηση πορώδους χαρτιού γινόταν και κατά µήκος των πλευρών της ράβδου. Στη συνέχεια, ο πολφός τοποθετείτο (µε κουτάλι) προσεχτικά µέσα στη µήτρα και ταυτόχρονα ανακατευόταν κατά τακτά διαστήµατα µε πλαστική ράβδο ώστε να φύγει ο αέρας που παγιδευόταν. Μετά το προκαθορισµένο ύψος που έφτανε ο πολφός µέσα στη µήτρα, τοποθετούταν το καπάκι προστερεοποίησης και η φόρτιση ξεκινούσε ώστε να επιτευχθεί η επιθυµητή τάση προστερεοποίησης. Τα δοκίµια προστερεοποιούνταν σε τάσεις 98 και 17kPa σε 3 και 4 µέρες αντίστοιχα. Το ύψος του δοκιµίου µετά την προ-στερεοποίηση µετρούταν και ήταν 2mm και η διάµετρός του 1mm. Κατά την προ-στερεοποίηση η στράγγιση επιτρεπόταν από την πάνω και την κάτω επιφάνεια του δοκιµίου µέσω των αντίστοιχων πλακών από πορώδες υλικό. Το πορώδες χαρτί επιτάχυνε την πρωτογενή στερεοποίηση. Ειδικός µετρητής τοποθετηµένος πάνω από το καπάκι προ-στερεοποίησης µετρούσε τις κατακόρυφες παραµορφώσεις και όταν σταθεροποιούνταν η στερεοποίηση είχε πρακτικά ολοκληρωθεί. Τότε, η πίεση αφαιρούταν σταδιακά και στη συνέχεια αφαιρούταν και το καπάκι. Μετά γινόταν η αφαίρεση της ράβδου από το κέντρο του δοκιµίου, το οποίο τοποθετούνταν µε τη σειρά του στην τριαξονική δοκιµή. Ακολουθούσε πλήρωση της κολώνας µε ξηρό κοκκώδες υλικό, άµµος ή χαλίκι, σε µικρές ποσότητες (2gr), ώστε να επιτευχθεί το τελικό ύψος της κολώνας (2mm). Μετά την τοποθέτηση κάθε µικρής ποσότητας υλικού (2gr) ακολουθούσε συµπύκνωση µε την πλαστική ράβδο που είχε προαναφερθεί. Η παραπάνω διαδικασία αποδείχτηκε ότι έδινε οµοιόµορφα δοκίµια. Τα δοκίµια ξαναστερεοποιούνταν στην τριαξονική δοκιµή και επιτυγχανόταν ο πλήρης κορεσµός τους υπό ισόπλευρες τάσεις συµπίεσης σ 3 : 5, 1 και 2kPa. Η αντιπίεση ήταν 2kPa. Σχήµα 2. Προετοιµασία δοκιµίων: (i) ειδική µήτρα στην οποία τοποθετείται ο πολφός, (ii) προ-στερεοποίηση του δείγµατος και (iii) εξαγωγή (iv) δοκιµίου καολινίτη Figure 2. Preparation of specimens: (i) special mold used for the (ii) preconsolidation of the sample and (iii) extraction of the (iv) kaolin clay sample Η ολόπλευρη πίεση και η αντιπίεση νερού αυξάνονταν σε ισόποσα µεγέθη, ώστε να διατηρούνται σταθερές οι ενεργές τάσεις µέσα στο δοκίµιο. Ο κορεσµός υπολογιζόταν µε τη σταθερά (Β) του Skempton και όταν η τιµή ήταν πάνω από.95 το δοκίµιο θεωρούταν κορεσµένο. Κατά τη στερεοποίηση του κορεσµένου δοκιµίου στο θάλαµο πίεσης η πίεση του νερού αυξανόταν. Για το λόγο αυτό η βαλβίδα στράγγισης διατηρούταν ανοιχτή. Στη συνέχεια, ανάλογα µε τις συνθήκες στράγγισης, επιβαλλόταν παραµόρφωση υπό συγκεκριµένη ταχύτητα φόρτισης και η αποκλίνουσα τάση q αύξανε. Υπό στραγγιζόµενες συνθήκες (Consolidated Drained Tests-C.D. Tests) η τάση q αύξανε µε αργό ρυθµό και η βαλβίδα στράγγισης παρέµενε ανοιχτή ώστε να επιτυγχάνεται η αποτόνωση των υπερπιέσεων πόρων. Στις τριαξονικές δοκιµές υπό αστράγγιστες συνθήκες (Consolidated Undrained Tests-C.U. Tests) η βαλβίδα στράγγισης παρέµενε κλειστή και οι υπερπιέσεις πόρων αύξαναν. Κατά την εκτέλεση των δοκιµών γινόταν καταγραφή της τάσης q, της αξονικής παραµόρφωσης και των 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 3

υπερπιέσεων πόρων κάθε 3 δευτερόλεπτα µέσω του ηλεκτρονικού υπολογιστή που ήταν συνδεδεµένος µε την τριαξονική µηχανή. αστράγγιστες συνθήκες (Σχήµα 3). Παρόλα αυτά, το δοκίµιο µε την κολώνα άµµου αστοχεί υπό ελαφρώς µεγαλύτερη τιµή αξονικής παραµόρφωσης. 5. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Kaolin + Sand Col., C.D. (v=.3 mm/min) 7 Kaolin, C.D. (v=.3 mm/min) 6 5 Kaolin + Sand Col., C.D. (v=.3 mm/min) 4 Kaolin + Sand Col., C.U. Kaolin + Gravel Col., C.U. 3 2 1 Axial strain, ε (%) u (kpa) -1 5 1 15 2 25-2 -3 Σχήµα 3. Μεταβολή της τάσης q και των υπερπιέσεων πόρων µε την αξονική παραµόρφωση για στραγγιζόµενες και αστράγγιστες συνθήκες, υπό τάση πλευρικής συµπίεσης 5kPa, πριν και µετά τη βελτίωση µε κολώνα άµµου και χαλικιού σε δοκίµιο καολινίτη Figure 3. Variation of deviator stress and excess pore water pressure with axial strain under drained and undrained conditions at 5 kpa confining pressure for both unreinforced and reinforced with sand and gravel column specimens 8 Kaolin + Sand Col., C.D. (v=.3 mm/min) 7 Deviator stress, q (kpa) Για να µελετηθεί ο βαθµός βελτίωσης είναι απαραίτητο να γίνει σύγκριση των δοκιµίων πριν και µετά τη βελτίωση υπό τις ίδιες πάντα συνθήκες φόρτισης. Η µεταβολή της τάσης q και των υπερπιέσεων πόρων µε την αξονική παραµόρφωση για στραγγιζόµενες και αστράγγιστες συνθήκες, υπό τάση πλευρικής συµπίεσης 5kPa, πριν και µετά τη βελτίωση µε κολώνα άµµου και χαλικιού σε δοκίµιο καολινίτη παρουσιάζεται στο Σχήµα 3. Στο Σχήµα παρουσιάζεται όλη η καταγραφή της δοκιµής, ενώ το τµήµα το οποίο µελετάται είναι µέχρι την αστοχία του δοκιµίου, δηλαδή µέχρι τη στιγµή της µέγιστης τάσης q. Η παρατήρηση αυτή ισχύει για όλα τα Σχήµατα που ακολουθούν. Η τάση q=σ1-σ3=σ 1-σ 3=q υπολογίζεται από τη διαφορά των ολικών ή των ενεργών τάσεων ανάµεσα στην κύρια αξονική και κύρια πλευρική τάση ενώ η αξονική παραµόρφωση ε ορίζεται από την κατακόρυφη συµπίεση του δοκιµίου ως προς το αρχικό του ύψος. Σε κάθε περίπτωση, η ταχύτητα φόρτισης υπό αστράγγιστες συνθήκες ήταν v=.3mm/min, ώστε να µην παρατηρείται στράγγιση µέσω της κολώνας και να λειτουργεί ο πάσσαλος µόνο ως ενισχυτικός παράγοντας. Σε όλες τις αστράγγιστες δοκιµές οι υπερπιέσεις πόρων αύξαναν καθώς η τάση q πλησιάζε τη µέγιστη τιµή της, συνήθως σε κατακόρυφες παραµορφώσεις της τάξης του 1-12%. Παράλληλα, η µεταβολή του όγκου ήταν µηδενική. Η µεταβολή των υπερπιέσεων πόρων κατά τις στραγγιζόµενες δοκιµές ήταν µηδενική. Οι ενεργές διαδροµές των τάσεων από τις δοκιµές του Σχήµατος 3 παρουσιάζονται στο Σχήµα 4, όπου p =σ 1/3+2.σ 3/3. Από τα αποτελέσµατα που παρουσιάζονται στα Σχήµατα 3 και 4 φαίνεται ότι η ακτινική στράγγιση λόγω της κολώνας οδηγεί σε µεγαλύτερες τάσεις αστοχίας του ενισχυµένου εδάφους. Για παράδειγµα, η τάση αστοχίας δοκιµίου που είναι ενισχυµένο µε κολώνα άµµου υπό στραγγιζόµενες συνθήκες (v=.3mm/min) είναι περίπου διπλάσια από την περίπτωση των αστράγγιστων συνθηκών. Η εξέλιξη της τάσης q µε την αξονική παραµόρφωση είναι παρόµοια για τα δοκίµια µε κολώνα άµµου και χαλικιού υπό Deviator stress, q (kpa) 8 6 Kaolin, C.D. (v=.3 mm/min) 5 Kaolin + Sand Col., C.U. Kaolin + Sand Col., C.D. (v=.3 mm/min) 4 Kaolin + Gravel Col., C.U. 3 2 1 2 4 6 8 Mean effective stress, p' (kpa) 1 Σχήµα 4. Ενεργές τασικές διαδροµές από δοκιµές στραγγιζόµενων και αστράγγιστων συνθηκών, υπό τάση πλευρικής συµπίεσης 5kPa για δοκίµια καολινίτη πριν και µετά τη βελτίωση µε κολώνα άµµου και χαλικιού Figure 4. Effective stress paths under drained and undrained conditions at 5 kpa confining 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 4

pressure for unreinforced and reinforced with sand and gravel column specimens Γενικότερα, η βελτίωση των χαρακτηριστικών του εδάφους που έχουν ενισχυθεί µε κολώνα άµµου ή χαλικιού είναι εµφανής τόσο υπό στραγγιζόµενες όσο και υπό αστράγγιστες συνθήκες (Σχήµα 3), παρά το µικρό συντελεστή αντικατάστασης που έχει χρησιµοποιηθεί στα πειράµατα (1/25=4%). Η σηµαντική αύξηση της ταχύτητας φόρτισης υπό στραγγιζόµενες δοκιµές (από.3 σε.3mm/min) οδηγεί σε σηµαντική µείωση των χαρακτηριστικών των ενισχυµένων δοκιµίων µε κολώνα άµµου. Συνεπώς, από τα αποτελέσµατα των στραγγιζόµενων δοκιµών υποδηλώνεται ότι ο ρυθµός που επιβάλλονται οι παραµορφώσεις είναι αποφασιστικός παράγοντας καθορισµού της τάσης αστοχίας βελτιωµένου εδάφους. Μικρότερη ταχύτητα φόρτισης (v=.3mm/min) οδηγεί σε υψηλότερες τιµές µέγιστης τάσης q κατά την αστοχία (Σχήµα 3). Παρόλα αυτά, παρατηρήθηκε ότι ακόµα και µε µεγάλη ταχύτητα φόρτισης (v=.3mm/min) υπό στραγγιζόµενες συνθήκες, η εκτόνωση των υπερπιέσεων πόρων είχε ολοκληρωθεί και η τιµή της τάσης q κατά την αστοχία είχε υψηλότερη τιµή από την αντίστοιχη τιµή εδάφους πριν τη βελτίωση υπό αστράγγιστες συνθήκες και υπό την ίδια ταχύτητα φόρτισης (οι προαναφερόµενες παρατηρήσεις αναφέρονται στα αποτελέσµατα των µετρήσεων από χαρακτηριστικές θέσεις τοποθέτησης των αντίστοιχων οργάνων µέτρησης). Από τα παραπάνω αποτελέσµατα εξάγεται το συµπέρασµα ότι η συµπεριφορά των εδαφών που έχουν βελτιωθεί µε κολώνες άµµου και χαλίκων επηρεάζεται όντως από τις συνθήκες στράγγισης και την επιβαλλόµενη ταχύτητα φόρτισης. Παρόµοια συµπεριφορά παρατηρείται και όταν αυξάνει η τάση πλευρικής συµπίεσης (1 και 2 kpa). Όσο η τάση πλευρικής συµπίεσης αυξάνει, τόσο η βελτίωση του δοκιµίου µε την κολώνα άµµου είναι πιο σηµαντική σε σχέση µε την κολώνα χαλικιού. Σηµειώνεται ότι η βελτίωση του ενισχυµένου εδάφους µε κολώνα χαλικιού υπό µεγάλες τάσεις πλευρικής συµπίεσης (2 kpa) είναι σχεδόν µηδενική. 6. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Τα δοκίµια που στερεοποιήθηκαν υπό τάση 1 και 2kPa είναι κανονικά στερεοποιηµένα (N.C.), ενώ τα δοκίµια που στερεοποιήθηκαν υπό τάση 5kPa είναι υπερστερεοποιηµένα (O.C.), µε λόγο υπερστερεοποίησης κατά την αξονική διεύθυνση ίσο µε 2. Η ταχύτητα φόρτισης στις αστράγγιστες τριαξονικές δοκιµές ήταν αρκετά µεγάλη ώστε να αποτρέπεται η αποτόνωση των υπερπιέσεων πόρων. Στη συνέχεια ακολουθεί ανάλυση µε όρους αστράγγιστης διατµητικής αντοχής c u, η οποία αντιπροσωπεύει την ακτίνα του ενεργού ή ολικού κύκλου Mohr. Η εξέλιξη της c u σε συνάρτηση µε την τάση πλευρικής συµπίεσης παρουσιάζεται στο Σχήµα 5. Η αστράγγιστη διατµητική αντοχή του βελτιωµένου εδάφους είναι µεγαλύτερη από του εδάφους πριν τη βελτίωση παρά το µικρό συντελεστή αντικατάστασης. Υπό µικρές τάσεις πλευρικής συµπίεσης (5kPa) η διατµητική αντοχή του βελτιωµένου εδάφους µε κολώνα άµµου και χαλικιού είναι περίπου 45% µεγαλύτερη από του εδάφους χωρίς βελτίωση. Αυξάνοντας την τάση πλευρικής συµπίεσης (1kPa) το ποσοστό µειώνεται σε 33% τόσο για την κολώνα άµµου όσο και για την κολώνα µε το χαλίκι. Υπό υψηλές τάσεις πλευρικής συµπίεσης (2kPa) η διατµητική αντοχή του βελτιωµένου εδάφους µε κολώνα άµµου γίνεται 2% µεγαλύτερη από του εδάφους χωρίς βελτίωση. Αντίθετα, υπό την ίδια υψηλή τάση πλευρικής συµπίεσης, η διατµητική αντοχή του δοκιµίου µε την κολώνα χαλικιού αυξάνει µόνο κατά 4%, προσφέροντας πρακτικά µηδενική βελτίωση. Η διαφοροποίηση στη συµπεριφορά οφείλεται στο ότι υπό µεγάλες τάσεις πλευρικής συµπίεσης συµβαίνει κάποιου είδους ανακατανοµή των κόκκων και η κολώνα µε το πιο χονδρόκοκκο υλικό χάνει σηµαντικό µέρος από τη φέρουσα ικανότητά της. Είναι πιθανό, το µεγάλο µέγεθος του χαλικιού σε σχέση µε τις διαστάσεις της κολώνας, να αλλοιώνει περιµετρικά τον πάσσαλο υπό µεγάλες τάσεις και συνεπώς να επηρεάζονται τα τελικά αποτελέσµατα, όπως παρατηρήθηκε ύστερα από εξέταση του πασσάλου µετά τη θραύση. Συµπερασµατικά, το δοκίµιο µε την κολώνα άµµου υπό αστράγγιστες συνθήκες και υψηλές τάσεις πλευρικής συµπίεσης προσφέρει µεγαλύτερες τιµές διατµητικής αντοχής από το δοκίµιο µε την κολώνα χαλικιού. Για χαµηλές τάσεις συµπίεσης (5, 1kPa) οι διαφορές δεν είναι τόσο σηµαντικές όπως παρουσιάστηκε από τις δοκιµές που εκτελέστηκαν. Σαφώς το δείγµα των δοκιµών είναι µικρό για να εξαχθούν γενικότερα συµπεράσµατα. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 5

Στο Σχήµα 6 παρουσιάζονται τα σηµεία που αντιπροσωπεύουν τις κορυφές των ενεργών τασικών διαδροµών από τις αστράγγιστες τριαξονικές δοκιµές, µε σκοπό να οριστεί η κλίση Μ=q/p της γραµµής κρίσιµης κατάστασης. Από τα αποτελέσµατα προκύπτει κλίση M=.94 για τα δοκίµια µε την κολώνα άµµου, M=.91 για τα δοκίµια µε την κολώνα χαλικιού και M=.9 για το έδαφος πριν τη βελτίωση. Deviator stress, q (kpa) 14 12 1 8 6 4 2 q=.94p' q=.91p' q=.9p' Kaolin + Gravel Col., C.U. Kaolin + Sand Col., C.U. Στην περίπτωση των τριαξονικών δοκιµών συµπίεσης µη συνεκτικών εδαφών η κλίση Μ µπορεί να συνδυαστεί, µέσω του κριτηρίου Mohr Coulomb, µε την ενεργή τιµή της γωνίας εσωτερικής τριβής ως εξής: 6 sin M = φ 3 sinφ (1) Undrained shear strength, c u (kpa) 7 6 5 4 3 2 1 Kaolin + Gravel Col., C.U. Kaolin + Sand Col., C.U. 5 1 2 Effective stress, σ 3 (kpa) Σχήµα 5. Μεταβολή της αστράγγιστης διατµητικης αντοχής σε συνάρτηση µε την τάση πλευρικής συµπίεσης πριν και µετά τη βελτίωση µε κολώνες άµµου και χαλικιού δοκιµίων καολινίτη, υπό αστράγγιστες συνθήκες Figure 5. Evolution of undrained shear strength in respect to the three effective confining pressures from Consolidated Undrained (C.U.) triaxial tests on reinforced and unreinforced specimens 5 1 15 Mean effective stress, p' (kpa) Σχήµα 6. Κορυφές ενεργών τασικών διαδροµών από αστράγγιστες τριαξονικές δοκιµές δοκιµίων πριν και µετά τη βελτίωση Figure 6. End points of Consolidated Undrained (C.U.) triaxial tests on reinforced and unreinforced specimens Συνδυάζοντας τα αποτελέσµατα των αστράγγιστων δοκιµών µε την εξίσωση (1) προκύπτει γωνία εσωτερικής τριβής φ =24 o για το δοκίµιο µε την κολώνα άµµου, φ =23.3 o για το δοκίµιο µε την κολώνα χαλικιού και φ =23 o για το έδαφος χωρίς βελτίωση. Σηµειώνεται ότι η κολώνα χαλικιού δεν βελτιώνει πρακτικά την γωνία εσωτερικής τριβής του εδάφους. Οι περιβάλλουσες αστοχίας κατά Mohr Coulomb που προκύπτουν από τις στραγγιζόµενες δοκιµές ενισχυµένων δοκιµίων µε κολώνα άµµου παρουσιάζονται στο Σχήµα 7, όπου τ f, σ f η διατµητική και ορθή τάση αστοχίας αντίστοιχα. H χαµηλότερη ταχύτητα φόρτισης (v=.3mm/min) προσφέρει καλύτερες µηχανικές ιδιότητες. Η γωνία εσωτερικής τριβής του σύνθετου εδάφους (φ =23.3 o ) είναι κατά 17% µεγαλύτερη από την τιµή (φ =2 o ) που προκύπτει υπό µεγαλύτερη ταχύτητα φόρτισης. ηλαδή, υπό στραγγιζόµενες συνθήκες και µε µικρή ταχύτητα επιβολής αξονικής παραµόρφωσης προκύπτει αυξηµένη γωνία εσωτερικής τριβής. Προκαλεί εντύπωση το γεγονός ότι µε την αύξηση της ταχύτητας φόρτισης µειώνεται η αντοχή των δοκιµίων, στοιχείο το οποίο πιθανώς να οφείλεται στο ότι τα δοκίµια µε κολώνα άµµου υπό στραγγιζόµενες συνθήκες και πολύ µεγάλη ταχύτητα φόρτισης να συµπεριφέρονται σαν δοκίµια υπό αστράγγιστες συνθήκες. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 6

τ f (kpa) 12 1 8 6 4 2 τ f =.43σ' f (φ'=23.3 ο ) τ f=.36σ' f (φ'=2 ο ) Kaolin + Sand Col., C.D. (v=.3 mm/min) Kaolin + Sand Col., C.D. (v=.3 mm/min) 5 1 15 2 25 3 σ' f (kpa) Σχήµα 7. Περιβάλλουσες αστοχίας βελτιωµένων δοκιµίων καολινίτη µε κολώνα άµµου υπό στραγγιζόµενες συνθήκες και διάφορες ταχύτητες φόρτισης (v=.3mm/min και v=.3mm/min) Figure 7. Mohr Coulomb failure lines derived from Consolidated Drained (C.D.) tests on specimens reinforced with sand columns and deformed with two different shearing rates (v=.3 mm/min and v=.3 mm/min) Deviator stress, q (kpa) 3 25 2 15 1 5 q=.91p' (v=.3 mm/min) q=.82p' (v=.3 mm/min) Kaolin + Sand Col., C.D. (v=.3 mm/min) Kaolin + Sand Col., C.D. (v=.3 mm/min) 5 1 15 2 25 3 Mean effective stress, p' (kpa) Σχήµα 8. Κορυφές ενεργών τασικών διαδροµών από στραγγιζόµενες τριαξονικές δοκιµές ενισχυµένων δοκιµίων µε κολώνα άµµου, τα οποία έχουν φορτιστεί υπό διαφορετικές ταχύτητες φόρτισης (v=.3mm/min και v=.3mm/min) Figure 8. End points of Consolidated Drained (C.D.) tests on specimens reinforced with sand columns and deformed with two different shearing rates (v=.3 mm/min and v=.3 mm/min) Τα παραπάνω συµπεράσµατα ενισχύονται και από τα στοιχεία του Σχήµατος 8, στο οποίο παρουσιάζονται οι κορυφές των ενεργών τασικών διαδροµών από τις προαναφερόµενες στραγγιζόµενες τριαξονικές δοκιµές. Από τα αποτελέσµατα προκύπτει κλίση M=.91 (φ =23.3 o ) και M=.82 (φ =21 o ) για τις δύο εξεταζόµενες ταχύτητες φόρτισης,.3 και.3mm/min, αντίστοιχα. Συµπεραίνεται λοιπόν ότι η ταχύτητα φόρτισης επηρεάζει σηµαντικά τα µηχανικά χαρακτηριστικά του βελτιωµένου εδάφους. Αν υποτεθεί ότι η µετρούµενη κατακόρυφη τάση αστοχίας του δοκιµίου καολινίτη πριν τη βελτίωση είναι η µέγιστη κατακόρυφη τάση που µπορεί να αναλάβει το έδαφος, τότε η µετρούµενη κατακόρυφη τάση αστοχίας του βελτιωµένου δοκιµίου θα είναι το άθροισµα των κατακόρυφων τάσεων αστοχίας του εδάφους πριν τη βελτίωση καθώς και της κολώνας, ανάλογα µε το συντελεστή αντικατάστασης. Στο Σχήµα 9 παρουσιάζεται η µεταβολή της φέρουσας ικανότητας του εδάφους πριν και µετά τη βελτίωση υπό αστράγγιστες συνθήκες. Σηµειώνεται ότι η κολώνα άµµου έχει µεγαλύτερη φέρουσα ικανότητα από την κολώνα µε το χαλίκι υπό υψηλές πλευρικές πιέσεις (2 kpa). Υπό χαµηλότερες πιέσεις (5 και 1 kpa) η φέρουσα ικανότητα της κολώνας άµµου και της κολώνας µε το χαλίκι είναι περίπου ίδια. Απαιτούνται όµως επιπρόσθετες δοκιµές για να εξηγηθεί καλύτερα η απότοµη µείωση της φέρουσας ικανότητας της κολώνας χαλικιού υπό µεγάλες πλευρικές πιέσεις. Ultimate Φέρουσα bearing ικανότητα capacity (kpa) (kpa) 12 1 8 6 4 2 Gravel Col., C.U. Sand Col., C.U. 5 1 2 Effective stress, σ 3 (kpa) Σχήµα 9. Φέρουσα ικανότητα εδάφους πριν και µετά τη βελτίωση µε κολώνα άµµου και χαλικιού, υπό αστράγγιστες συνθήκες και διάφορες πλευρικές πιέσεις (5, 1 και 2kPa) Figure 9. Ultimate bearing capacity under undrained conditions of the unreinforced soil, and the sand and gravel columns of the reinforced specimens at three confining pressures (5, 1, and 2 kpa) 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 7

7. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα βασικότερα σηµεία που προέκυψαν από τις δοκιµές που εκτελέστηκαν είναι τα ακόλουθα: i) Η στράγγιση της κολώνας διαδραµατίζει σηµαντικό ρόλο στην τάση αστοχίας του βελτιωµένου εδάφους. ii) Η αστράγγιστη διατµητική αντοχή του βελτιωµένου δοκιµίου είναι µεγαλύτερη από του δοκιµίου πριν τη βελτίωση παρά το µικρό συντελεστή αντικατάστασης. iii) Τα αποτελέσµατα από τις στραγγιζόµενες τριαξονικές δοκιµές δείχνουν ότι η ταχύτητα φόρτισης επηρεάζει σηµαντικά τη µηχανική συµπεριφορά του βελτιωµένου εδάφους. iv) Η κολώνα άµµου, υπό αστράγγιστες συνθήκες και υψηλές τάσεις πλευρικής συµπίεσης, έχει µεγαλύτερη φέρουσα ικανότητα από την κολώνα χαλικιού. Dupla J. C. (1995), Application de la sollicitation d expansion de cavité cylindrique à l évaluation des caractéristiques de liquéfaction d un sable. PhD Thesis, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, Paris, France. Hughes J. M. O. and Withers N. J. (1974), Reinforcing of soft cohesive soils with stone columns. Ground Engineering, N o 3, pp. 42-49. 8. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ AFNOR, NF P 94-74 (Οctobre 1994), Sols: reconnaissance et essais. Essais à l appareil triaxial de révolution. Appareillage, Préparation des éprouvettes et Essais (UU), (CU+u) et (CD). Norme française. Andreou P., Frikha W., Frank R., Canou J., Papadopoulos V. and Dupla J.-C. (28), Experimental study on sand and gravel columns in clay. Ground Improvement, Vol. 161, Issue GI4, pp. 189-198. Bachus R.C. and Barksdale R.D. (1984), Vertical and lateral behaviour of model stone columns. Actes du Colloque International: Renforcement en place des sols et des roches, Paris, Vol. 1, pp. 99-14. Bergado D. T, Rantcci G. and Widodo S. (1984), Full scale load tests of granular piles and sand drains in the soft Bangkok clay. Actes du Colloque International: Renforcement en place des sols et des roches, Paris, Vol. 1, pp. 111-118. Boussaid Khaled (25), Sols intermédiaires pour la modélisation physique: application aux fondations superficielles. PhD Thesis, Ecole Centrale de Nantes, Université de Nantes. Charles J.A. and Watts K.S. (1983), Compressibility of soft clay reinforced with granular columns. Procedings of the 8 th European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Helsinki, Vol. 1, p. 347-352. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 8