Μηχανική Συμπεριφορά Άμμων Εμποτισμένων με Αιωρήματα Λεπτόκοκκων Τσιμέντων. Mechanical Behavior of Sands Injected with Microfine Cement Grouts

Μηχανική Συμπεριφορά Άμμων Εμποτισμένων με Αιωρήματα Λεπτόκοκκων Τσιμέντων Mechanical Behavior of Sands Injected with Microfine Cement Grouts ΠΑΝΤΑΖΟΠΟΥΛΟΣ, Ι.Α. ΑΤΜΑΤΖΙΔΗΣ, Δ.Κ. ΜΑΡΚΟΥ, Ι.Ν. Πολιτικός Μηχανικός, Διδάκτορας, Παν/μιο Πατρών Πολιτικός Μηχανικός, Καθηγητής, Παν/μιο Πατρών Πολιτικός Μηχανικός, Επίκουρος Καθηγητής, Δ.Π.Θ. ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Για την τεκμηρίωση της μηχανικής συμπεριφοράς άμμων εμποτισμένων με αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων εκτελέστηκαν δοκιμές ανεμπόδιστης θλίψης και τριαξονικής φόρτισης (UU και CU-PP). Χρησιμοποιήθηκαν τρεις τύποι τσιμέντου, τέσσερις κοκκομετρίες από κάθε τύπο και αιωρήματα με λόγο νερού προς τσιμέντο ίσο προς 1, 2 και 3. Ο εμποτισμός των άμμων έχει ως αποτέλεσμα (α) την εμφάνιση αντοχής σε ανεμπόδιστη θλίψη έως και 1 MPa, (β) την ανάπτυξη σημαντικής συνοχής έως και 15 kpa, (γ) τη σημαντική αύξηση του μέτρου ελαστικότητας και (δ) τη μείωση της παραμορφωσιμότητας. ABSTRACT : Unconfined and triaxial compression tests (UU and CU-PP) were conducted in order to document the mechanical behavior of sands grouted with microfine cements grouts. Three cement types, four gradations per cement type and suspensions with water/cement ratio of 1, 2 and 3 were used. Grouting of the sands resulted in (a) unconfined compression strength of up to 1 MPa, (b) the development of significant cohesion of up to 15 kpa, (c) significant increase in Young s modulus and (d) decreased deformability. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς εδαφικών και βραχωδών σχηματισμών επιτυγχάνεται συχνά με τη μέθοδο των ενέσεων. Οι ενέσεις εμποτισμού είναι ο παλαιότερος τύπος ενέσεων που αναπτύχθηκε, είναι οι συχνότερα χρησιμοποιούμενες, έχουν το ευρύτερο φάσμα εφαρμογών και διακρίνονται σε ενέσεις αιωρημάτων και ενέσεις χημικών διαλυμάτων. Τα αιωρήματα έχουν χαμηλό κόστος, είναι αβλαβή για το περιβάλλον, όμως, έχουν περιορισμένο πεδίο εφαρμογής που φθάνει μέχρι τις χονδρόκοκκες άμμους. Τα διαλύματα μπορούν να εμποτίσουν μέχρι και λεπτόκοκκες άμμους ή χονδρό-κοκκες ιλύες, όμως έχουν σημαντικά υψηλότερο κόστος και, μερικά από αυτά, είναι επιβλαβή για το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Για τους λόγους αυτούς γίνεται προσπάθεια να αντικατασταθούν τα χημικά διαλύματα με αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων που να έχουν παρόμοιο πεδίο εφαρμογής. Η μεγάλη πλειοψηφία του δημοσιευμένου έργου που αναφέρεται στη μηχανική συμπεριφορά εδαφών εμποτισμένων με αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων βασίζεται σε αποτελέσματα δοκιμών ανεμπόδιστης θλίψης (π.χ. Krizek and Helal 1992, Schwarz and Krizek 1994, Santagata and Collepardi 1998, Dano et al. 24, Ανδρέου κ.α. 26, Saada et al. 26). Οι δοκιμές ανεμπόδιστης θλίψης παρουσιάζουν ευκολία και ταχύτητα στην εκτέλεσή τους, δεν προσομοιώνουν ικανοποιητικά τις συνθήκες που επικρατούν στο πεδίο και είναι κατάλληλες για ταχύρυθμα προγράμματα συγκριτικής αξιολόγησης ως δοκιμές δείκτη. Αντίθετα, δοκιμές τριαξονικής φόρτισης προσομοιώνουν πολύ καλύτερα τις συνθήκες πεδίου, όμως οι διαθέσιμες στη βιβλιογραφία πληροφορίες είναι σχετικά 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 1

περιορισμένες (Clark et al. 1993, Krizek et al. 1992, Naeni and Ziaie Moayed 23, Dano et al. 24, Ανδρέου κ.α. 26). Επι πλέον, συγκρίσεις αποτελεσματικότητας μεταξύ κοινών τσιμέντων και λεπτόκοκκων τσιμέντων είναι ελάχιστες αφού τα κοινά τσιμέντα δεν διεισδύουν σε σχετικά λεπτόκοκκους εδαφικούς σχηματισμούς. Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζεται μέρος των αποτελεσμάτων εκτεταμένης εργαστηριακής διερεύνησης της αποτελεσματικότητας λεπτόκοκκων τσιμέντων. Εκτελέστηκαν δοκιμές ανεμπόδιστης θλίψης και, κυρίως, τριαξονικής φόρτισης (UU και CU-PP) για την αξιολόγηση της επίδρασης του τύπου του τσιμέντου, της κοκκομετρίας του τσιμέντου, του λόγου νερού προς τσιμέντο (Ν/Τ) του αιωρήματος και της κοκκομετρίας της άμμου. 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ Για τις ανάγκες αυτής της εργαστηριακής διερεύνησης χρησιμοποιήθηκαν τρεις τύποι τσιμέντου, δηλαδή ένα καθαρό τσιμέντο Portland (CEM I), ένα σύνθετο τσιμέντο Portland (CEM II/B-M) και ένα ποζολανικό τσιμέντο (CEM IV/B). Στο κείμενο αυτής της εργασίας τα τσιμέντα αυτά αναφέρονται ως Ι42.5, ΙΙ32.5 και ΙV32, αντίστοιχα, επειδή έτσι συμβολίζονται από τον παραγωγό τους. Το ονομαστικό μέγιστο μέγεθος κόκκων, d max, αυτών των τσιμέντων είναι 1μm. Για την παραγωγή των λεπτόκοκκων τσιμέντων, τα τσιμέντα λειοτριβήθηκαν με ειδικό εργαστηριακό μύλο ώστε να παραχθούν τρεις επιπλέον κοκκομετρίες από κάθε τύπο τσιμέντου με μέγιστο ονομαστικό μέγεθος κόκκου, d max, περίπου ίσο με 4μm, 2μm και 1μm. Τυπικές κοκκομετρικές καμπύλες φαίνονται στο Σχήμα 1. Η άμμος που χρησιμοποιήθηκε για την εργαστηριακή παραγωγή εμποτισμένων εδαφών είναι θραυστή άμμος λατομείου, ασβεστολιθικής προέλευσης, που χρησιμοποιείται και για δοκιμές αντοχών δοκιμίων σκυροδέματος. Με πλύσιμο και κοσκίνισμα διαμορφώθηκαν τέσσερις κοκκομετρίες άμμου με μέγεθος κόκκων μεταξύ των κοσκίνων #5-#1, #1-#14, #14-#25 και #25-#5. Ο μέγιστος και ο ελάχιστος δείκτης κενών των άμμων κυμαίνεται απο 1,3 έως 1,12 και απο,66 έως,72, αντίστοιχα, ενώ η σχετική πυκνότητα των δοκιμίων άμμου πρίν τον εμποτισμό κυμάνθηκε από 95% έως 98%. Η γωνία εσωτερικής τριβής των άμμων, σε πυκνή κατάσταση και για πεδίο πλευρικής τάσης από 1 έως 4 kpa, κυμαίνεται μεταξύ 4,3 ο και 42,6 ο. Ποσοστό διερχομένων (%) 1 8 6 4 2 Τσιμέντο II 32.5 1 μm 2 μm 4 μm κοινό 1 1 1.1 Μέγεθος κόκκων ( μm) Σχήμα 1. Τυπικές κοκκομετρίες των τσιμέντων Figure 1. Typical cement gradations Για την παραγωγή των εμποτισμένων δοκιμίων χρησιμοποιήθηκε ειδική εργαστηριακή διάταξη (Σχήμα 2) που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε σύμφωνα με τις προβλέψεις του πρότυπου ASTM D432-84 και επιτρέπει την παραγωγή εμποτισμένων εδαφικών δοκιμίων υπό συνθήκες που προσομοιώνουν, κατά το δυνατόν, τις ενέσεις εμποτισμού και είναι έτοιμα για εργαστηριακές δοκιμές χωρίς να απαιτείται οποιαδήποτε ενέργεια που προκαλεί διαταραχή των δοκιμίων. Η άμμος συμπυκνώνεται σε κατάλληλη μήτρα και στη συνέχεια εμποτίζεται με αιώρημα υπό πίεση. Κατ αυτόν τον τρόπο, οι κόκκοι του εδάφους διατηρούνται σε επαφή και λειτουργούν όλοι οι μηχανισμοί πλήρωσης των κενών του εδάφους με αιώρημα ώστε να προσομοιώνονται οι πραγματικές συνθήκες υπό τις οποίες γίνεται ο εμποτισμός στο πεδίο με μόνη διαφορά ότι η ροή του ενέματος είναι καθαρά μονοδιάστατη. Τα δοκίμια που προκύπτουν έχουν ύψος 113mm και διάμετρο 5mm. Οι εμποτισμοί, γενικά, έγιναν σε δοκίμια άμμου που ήταν σε πυκνή και ξηρή κατάσταση με αιωρήματα που είχαν λόγο νερού προς τσιμέντο, Ν/Τ, (κατά βάρος), ίσο προς 1, 2 και 3 και περιείχαν υπερρευστοποιητή σε ποσοστό 1,4% κατά βάρος ξηρού τσιμέντου. Για κάθε εμποτισμό χρησιμοποιήθηκε όγκος ενέματος ίσος προς το διπλάσιο του όγκου των κενών της άμμου. Οι δοκιμές ανεμπόδιστης θλίψης και τριαξονικής φόρτισης εκτελέστηκαν χρησιμοποιώντας πλαίσιο φόρτισης 5kN με εφαρμογή συνηθισμένων διαδικασιών (Head 1986). Τα δοκίμια εμποτισμένου εδάφους φορτίζονταν, σε κάθε περίπτωση, με σταθερό ρυθμό αξονικής παραμόρφωσης ίσο προς.1mm/min. Οι δοκιμές τριαξονικής φόρτισης 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 2

(α) (β) Σχήμα 2. Εργαστηριακή διάταξη εμποτισμού (α) γενική άποψη και (β) μήτρα εμποτισμού Figure 2. Laboratory injection system (a) general view and (b) mold εκτελέστηκαν με πλευρική τάση (ολική ή ενεργή) ίση προς 1, 2 και 4kPa. 3. ΑΝΕΜΠΟΔΙΣΤΗ ΘΛΙΨΗ Τα αποτελέσματα των δοκιμών ανεμπόδιστης θλίψης υποδεικνύουν ότι η τιμή της παραμόρφωσης αστοχίας των εμποτισμένων άμμων επηρεάζεται σημαντικά από την τιμή του λόγου Ν/Τ ενώ παράμετροι όπως ο τύπος του τσιμέντου, η κοκκομετρία του τσιμέντου και η κοκκομετρία της άμμου δεν επηρεάζουν σημαντικά ή με κάποιο συστηματικό τρόπο την τιμή της παραμόρφωσης αστοχίας. Ειδικότερα, η παραμόρφωση αστοχίας των εμποτισμένων άμμων κυμάνθηκε από,45% έως 1,1%, από,35% έως,63% και από,25% έως,35% για λόγους Ν/Τ ίσους προς 1, 2 και 3, αντίστοιχα. Η αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη των εμποτισμένων άμμων επηρεάζεται κυρίως, από το λόγο Ν/Τ των αιωρημάτων και από την κοκκομετρία των τσιμέντων. Ο τύπος του τσιμέντου και η κοκκομετρία της άμμου έχουν μικρή ή μη συστηματική επίδραση. Αποτελέσματα συνοψίζονται στο Σχήμα 3. Οι άμμοι που εμποτίστηκαν με αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=1 εμφάνισαν τιμές αντοχής που κυμαίνονται έως 1ΜPa ενώ άμμοι εμποτισμένες με αιωρήματα με λόγους Ν/Τ=2 και 3 είχαν τιμές αντοχής έως 2,5MPa και έως 1,ΜPa, αντίστοιχα. Η σημαντική επίδραση της μείωσης του λόγου Ν/Τ στη αύξηση της αντοχής σε ανεμπόδιστη θλίψη των άμμων εμποτισμένων με λεπτόκοκκα τσιμέντα έχει τεκμηριωθεί από πολλούς ερευνητές (Krizek and Helal 1992, Schwarz and Krizek 1994, Santagata and Collepardi 1998, Dano et al. 24, Ανδρέου κ.α. 26, Saada et al. 26). Όπως φαίνεται από τα δεδομένα που παρουσιάζονται στο Σχήμα 3, η κοκκομετρία του τσιμέντου επηρεάζει με συστηματικό τρόπο την τιμή της αντοχής σε ανεμπόδιστη θλίψη, ιδιαίτερα για εμποτισμούς με πυκνά αιωρήματα (Ν/Τ=1). Μείωση του μεγέθους των κόκκων του τσιμέντου προκαλεί σημαντική αύξηση της αντοχής, ιδιαίτερα για τα πυκνά αιωρήματα (Ν/Τ=1). Για αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=2, παρατηρείται η ίδια συμπεριφορά αλλά σε μικρότερο βαθμό, ενώ για τα πιο Αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη, q ( MPa ) u 12 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 Μέγιστο μέγεθος κόκκου τσιμέντων, d ( μm) max N/T 1 2 3 Σχήμα 3. Αποτελέσματα δοκιμών ανεμπόδιστης θλίψης Figure 3. Results of unconfined compression tests 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 3

αραιά αιωρήματα (Ν/Τ=3) η επίδραση μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα. 4. ΤΡΙΑΞΟΝΙΚΗ ΦΟΡΤΙΣΗ Παρατήρηση του συνόλου των καμπυλών τάσης-παραμόρφωσης (δοκιμές UU και CU-PP) τεκμηριώνει την πολύ σημαντική επίδραση του λόγου νερού προς τσιμέντο στη συμπεριφορά και τις ιδιότητες των εμποτισμένων άμμων. Αμμοι εμποτισμένες με πυκνά ενέματα (Ν/Τ=1) εμφανίζουν πολύ υψηλότερη αντοχή και σημαντικά χαμηλότερη παραμόρφωση αστοχίας σε σχέση με άμμους εμποτισμένες με αραιότερα ενέματα (Ν/Τ=2 και 3). Στο Σχήμα 4 παρουσιάζονται χαρακτηριστικές καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης από δοκιμές τριαξονικής φόρτισης UU για δύο περιπτώσεις εμποτισμένων άμμων (με πυκνό και αραιό ένεμα), για το ίζημα του αιωρήματος του τσιμέντου με λόγο Ν/Τ=1 και για την άμμο που χρησιμοποιήθηκε. Είναι προφανές ότι η μορφή της καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης της εμποτισμένης άμμου με πυκνό ένεμα (Ν/Τ=1) είναι παρόμοια με αυτή του ιζήματος τσιμέντου με λόγο Ν/Τ=1. Αντίστοιχα, η μορφή της καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης της εμποτισμένης άμμου με αραιό ένεμα (Ν/Τ=3) είναι παρόμοια με αυτή της καθαρής άμμου. Οι παρατηρήσεις αυτές υποδεικνύουν ότι άμμος που εμποτίζεται με πυκνό ένεμα έχει, γενικά, παρόμοια συμπεριφορά τάσηςπαραμόρφωσης με αυτή του ιζήματος τσιμέντου με ίδιο λόγο Ν/Τ ενώ άμμος που εμποτίζεται με αραιό ένεμα έχει, γενικά, παρόμοια συμπεριφορά τάσηςπαραμόρφωσης με αυτή της καθαρής άμμου. Εκτροπική τάση, σ -σ ( ) 1 3 MPa 9 σ 3 =2 kpa 8 Άμμος: #14 - #25 Τσιμέντο: ΙΙ32,5, d max=2 μm, Ν/Τ=1 7 6 Ίζημα τσιμέντου: ΙΙ32,5, d max=2 μm, Ν/Τ=1 5 4 3 Άμμος: #14 - #25 2 Τσιμέντο: ΙΙ32,5, d max=2 μm, Ν/Τ=3 1 Άμμος: #14 - #25 2 4 6 8 Αξονική παραμόρφωση, ε (%) Σχήμα 4. Καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης (δοκιμές UU) Figure 4. Stress-strain curves (UU tests) Στο Σχήμα 5 παρουσιάζονται οι τιμές του αρχικού (εφαπτομενικού) μέτρου ελαστικότητας, Ε i, και της παραμόρφωσης αστοχίας, ε f, που προέκυψαν από δοκιμές τριαξονικής φόρτισης UU και CU-PP, ομαδοποιημένες ως προς το λόγο νερού προς τσιμέντο, Ν/Τ, των αιωρημάτων που χρησιμοποιήθηκαν για τον εμποτισμό των άμμων και ως προς την κοκκομετρία των τσιμέντων. Παρατηρείται ότι η μείωση του λόγου Ν/Τ από 3 σε 1 προκαλεί σημαντική αύξηση των τιμών του αρχικού μέτρου ελαστικότητας και μείωση των τιμών της παραμόρφωσης αστοχίας. Επιπλέον, φαίνεται ότι, γενικά, τόσο το αρχικό μέτρο ελαστικότητας όσο και η παραμόρφωση αστοχίας που προέκυψαν από τους δύο τύπους δοκιμών έχουν κοινά πεδία τιμών, με εξαίρεση την παραμόρφωση αστοχίας άμμων εμποτισμένων με αραιό αιώρημα (Ν/Τ=3) που εμφανίζει υψηλότερες τιμές σε έναν αριθμό δοκιμών CU-PP. Γενικά, το αρχικό μέτρο ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων με αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=1, 2 και 3 κυμαίνεται Αρχικό μέτρο ελαστικότητας, Ε ( ) i MPa Παραμόρφωση αστοχίας, ε ( ) f % 4 35 3 25 2 15 1 5 UU (N/T=1) UU (N/T=3) CU-PP (N/T=1) CU-PP (N/T=3) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 14 12 1 8 6 4 2 UU (N/T=1) UU (N/T=3) CU-PP (N/T=1) CU-PP (N/T=3) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Μέγιστο μέγεθος κόκκων, d max ( μm) Σχήμα 5. Χαρακτηριστικά παραμορφωσιμότητας εμποτισμένων άμμων Figure 5. Deformation characteristics of grouted sands 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 4

από 12MPa έως 35ΜΡa, από 7MPa έως 12MPa και από 3MPa έως 11MPa, αντίστοιχα, όπως προκύπτει από σύνθεση των αποτελεσμάτων και των δύο τύπων δοκιμών. Η παραμόρφωση αστοχίας, και για τους δύο τύπους δοκιμών, κυμαίνεται από,5% έως 2,5%, από 3,5% έως 5,5% και από 3% έως 13% για λόγους Ν/Τ=1,2 και 3, αντίστοιχα. Από σύγκριση μεταξύ αντίστοιχων δοκιμίων, δηλαδή δοκιμίων που παρασκευάστηκαν ακριβώς με τα ίδια συστατικά, προκύπτει ότι η παραμόρφωση αστοχίας που προέκυψε από δοκιμές UU είναι κατά 2% έως 6% μικρότερη σε σχέση με την παραμόρφωση αστοχίας αντίστοιχων δοκιμίων που υποβλήθηκαν σε δοκιμές CU-PP. Παρόμοια συμπεριφορά έχει παρατηρηθεί και σε εμποτισμένες άμμους με αιωρήματα λειοτριβημένης ιπτάμενης τέφρας (Μάρκου 1995). Από θεώρηση των δεδομένων του Σχήματος 5, προκύπτει ότι, γενικά και για τους δύο τύπους δοκιμών (UU, CU-PP), οι τιμές του αρχικού μέτρου ελαστικότητας επηρεάζονται από την κοκκομετρία του τσιμέντου, ιδιαίτερα για λόγο Ν/Τ=1. Διαπιστώνεται τάση αύξησης των τιμών του μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων με την μείωση του μεγέθους των κόκκων του τσιμέντου, ιδιαίτερα για λόγο Ν/Τ=1. Συγκεκριμένα, το αρχικό μέτρο ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων, με αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=1, κυμαίνεται από 17MPa έως 33MPa, από 14MPa έως 36MPa, από 13MPa έως 27MPa και από 13MPa έως 2MPa, για μέγιστο μέγεθος κόκκων τσιμέντου, d max, ίσο προς 1, 2, 4 και 1μm, αντίστοιχα, ενώ για λόγο Ν/Τ=3 κυμαίνεται από 3MPa έως 11MPa, ανεξάρτητα από την κοκκομετρία του τσιμέντου. Η παραμόρφωση αστοχίας των εμποτισμένων άμμων επηρεάζεται από την κοκκομετρία του τσιμέντου όταν χρησιμοποιούνται αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=3, ενώ δεν φαίνεται να υπάρχει ιδιαίτερη επίδραση όταν χρησιμοποιούνται αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=1. Ειδικότερα, η παραμόρφωση αστοχίας των εμποτισμένων άμμων με αιωρήματα τσιμέντου με λόγο Ν/Τ=3, κυμαίνεται από 6,5% έως 13%, από 4,5% έως 9%, από 3% έως 8% και από 2,5% έως 1%, για μέγιστο μέγεθος κόκκου του τσιμέντου, d max, ίσο προς 1, 2, 4 και 1μm, αντίστοιχα, ενώ με αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=1 κυμαίνεται, γενικά, από,5% έως 2,5% ανεξάρτητα από την κοκκομετρία του τσιμέντου. Για το σύνολο των δοκιμών τριαξονικής φόρτισης (UU και CU-PP) διαπιστώθηκε ότι οι συνθήκες αστοχίας προσεγγίζονται πολύ ικανοποιητικά με το κριτήριο αστοχίας Mohr- Coulomb. Κατά συνέπεια, η αντοχή των εμποτισμένων άμμων ποσοτικοποιείται με βάση τις παραμέτρους διατμητικής αντοχής, δηλαδή τη συνοχή, c, και τη γωνία εσωτερικής τριβής, φ. Η επίδραση του λόγου Ν/Τ και της κοκκομετρίας του τσιμέντου στις τιμές των παραμέτρων διατμητικής αντοχής των εμποτισμένων άμμων προκύπτει από τα στοιχεία που παρουσιάζονται στο Σχήμα 6. Παρατηρείται ότι μείωση του λόγου Ν/Τ προκαλεί σημαντική αύξηση της τιμής της συνοχής, ανεξάρτητα από τον τύπο της δοκιμής που εκτελέστηκε. Η τιμή της γωνίας εσωτερικής τριβής παρουσιάζει παρόμοια συμπεριφορά, αλλά σε μικρότερο βαθμό. Επιπλέον, παρατηρείται ότι, γενικά, οι δοκιμές CU-PP δίνουν υψηλότερες τιμές συνοχής και χαμηλότερες τιμές γωνίας εσωτερικής τριβής σε σχέση με δοκιμές UU. Για παράδειγμα, άμμοι εμποτισμένες με αιωρήματα τσιμέντου με λόγο Ν/Τ=1 εμφανίζουν τιμές της συνοχής που κυμαίνονται από 63kPa έως 168kPa και από 79kPa έως 27kPa όπως προέκυψαν απο δοκιμές UU και CU-PP, αντίστοιχα. Για εμποτισμούς με αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=3, η τιμή της συνοχής των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 7kPa έως 26kPa και από 3kPa έως 75kPa για δοκιμές UU και CU- PP, αντίστοιχα. Από θεώρηση του συνόλου των αποτελεσμάτων, υπολογίζεται ότι οι εμποτισμοί με πυκνά αιωρήματα (Ν/Τ=1) αποδίδουν τιμές της συνοχής που είναι από 2 εώς 5 φορές υψηλότερες αυτών που αποδίδουν εμποτισμοί με αραιά αιωρήματα (Ν/Τ=2 και 3). Οι τιμές της γωνίας εσωτερικής τριβής άμμων εμποτισμένων με αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=1 και 3, με βάση δοκιμές UU, κυμαίνονται από 43 έως 61 και από 4,5 έως 44,5, αντίστοιχα, ενώ με βάση δοκιμές CU-PP, κυμαίνονται από 32 έως 55, και από 29,5 έως 4,5, αντίστοιχα. Η επίδραση του λόγου Ν/Τ στις παραμέτρους αντοχής των εμποτισμένων άμμων έχει μελετηθεί και από άλλους ερευνητές που έχουν καταλήξει σε παρόμοια συμπεράσματα (Krizek et al. 1992, Clarke et al. 1993, Dano et al. 24, Ανδρέου κ.α. 26). Τα στοιχεία που παρουσιάζονται στο Σχήμα 6, επιτρέπουν και την εκτίμηση της επίδρασης της κοκκομετρίας του τσιμέντου στις τιμές των παραμέτρων αντοχής των εμποτισμένων άμμων. Για εμποτισμούς με πυκνά αιωρήματα (Ν/Τ=1) παρατηρείται ότι η κοκκομετρία του τσιμέντου επηρεάζει τις τιμές 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 5

της συνοχής των εμποτισμένων άμμων, ενώ κάτι τέτοιο δεν ισχύει για εμποτισμούς με τα πιο αραιά αιωρήματα (Ν/Τ=2 ή 3). Η μείωση του μέγιστου μεγέθους κόκκων των τσιμέντων προκαλεί αύξηση της συνοχής των εμποτισμένων άμμων με πυκνά αιωρήματα (λόγος Ν/Τ=1) ανεξάρτητα από τον τύπο της δοκιμής. Ειδικότερα, οι τιμές της συνοχής των εμποτισμένων άμμων κυμαίνονται απο 11kPa έως 2kPa, για εμποτισμούς με τα πιο λεπτόκοκκα τσιμέντα (d max =1μm και 2μm) και από 63kPa έως 85kPa για εμποτισμούς με τα πιο χονδρόκοκκα τσιμέντα (d max =4μm και 1μm). Από θεώρηση του συνόλου των αποτελεσμάτων για άμμους εμποτισμένες με αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=1, προκύπτει ότι μείωση του μέγιστου μεγέθους κόκκων των τσιμέντων από 1μm σε 2μm ή 1μm προκαλεί αύξηση της τιμής της συνοχής κατά 2 έως 2.5 φορές. Για εμποτισμούς με τα πιο αραιά αιωρήματα (Ν/Τ=2 ή 3) η τιμή της συνοχής των εμποτισμένων άμμων κυμαίνεται από 1kPa έως 6kPa, ανεξάρτητα από την Συνοχή, c ( MPa ) Γωνία εσωτερικής Τριβής, φ ( ) ο 3. 2.5 2. 1.5 1..5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 7 6 5 4 3 2 1 UU (N/T=1) UU (N/T=3) UU (N/T=1) UU (N/T=3) CU-PP (N/T=1) CU-PP (N/T=3) CU-PP (N/T=1) CU-PP (N/T=3) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Μέγιστο μέγεθος κόκκων, d max ( μm) Σχήμα 6. Παράμετροι αντοχής εμποτισμένων άμμων Figure 6. Strength parameters of grouted sands κοκκομετρία του τσιμέντου και από τον τύπο της δοκιμής. Η τιμή της γωνίας εσωτερικής τριβής των εμποτισμένων άμμων δεν επηρεάζεται σημαντικά ή με κάποιο συστηματικό τρόπο απο την κοκκομετρία του τσιμέντου των αιωρημάτων. Η παρατήρηση αυτή ισχύει και για τους τρείς λόγους Ν/Τ (1, 2 και 3) καθώς και για τους δύο τύπους δοκιμής τριαξονικής φόρτισης (UU και CU-PP). 5. ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ Ενδιαφέρον παρουσιάζει η εκτίμηση της βελτίωσης που προκαλεί ο εμποτισμός στην παραμορφωσιμότητα και στην αντοχή των καθαρών άμμων. Ως προς την παραμορφωσιμότητα υπολογίστηκε ο λόγος του αρχικού μέτρου ελαστικότητας των εμποτισμένων άμμων, Ε i, προς το αρχικό μέτρο ελαστικότητας των καθαρών άμμων, Ε i,α, και ο λόγος της παραμόρφωσης αστοχίας των εμποτισμένων άμμων, ε f, προς την παραμόρφωση αστοχίας των καθαρών άμμων, ε f,α και τα αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 7. Ως προς την αντοχή, θεωρείται ότι σημαντική βελτίωση είναι η προσθήκη συνοχής. Ο λόγος Ε i /E i,a αυξάνεται με την μείωση του λόγου Ν/Τ. Συγκεκριμένα, ο λόγος Ε i /E i,a των άμμων που εμποτίστηκαν με αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=1, 2 και 3 κυμαίνεται από 7 έως 24, από 3 έως 7 και από 1,5 έως 5,5, αντίστοιχα. Προκύπτει σαφώς ότι (α) η αύξηση του αρχικού μέτρου ελαστικότητας των άμμων που προκαλείται από τον εμποτισμό με αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=1 είναι σημαντικά μεγαλύτερη από αυτή που προκαλείται από τον εμποτισμό με αιωρημάτα με λόγο Ν/Τ=2 ή 3 και (β) τα αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=2 ή 3 προκαλούν περίπου την ίδια βελτίωση στο αρχικό μέτρο ελαστικότητας των άμμων. Με βάση τις τιμές του λόγου ε f /ε f,a, παρατηρείται σαφώς ότι (α) οι εμποτισμένες άμμοι εμφανίζουν σε κάθε περίπτωση μικρότερη τιμή της παραμόρφωσης αστοχίας από τις καθαρές άμμους και (β) όσο μειώνεται ο λόγος Ν/Τ τόσο μειώνεται η τιμή του λόγου ε f /ε f,a. Ειδικότερα, ο εμποτισμός με πυκνά ενέματα (Ν/Τ=1) μειώνει την παραμόρφωση αστοχίας των άμμων κατά 5 έως 1 φορές ενώ ο εμποτισμός με πιο αραιά ενέματα με λόγο Ν/Τ=2 και 3, μειώνει το πολύ κατά 5% την παραμόρφωση αστοχίας των καθαρών άμμων. Από θεώρηση του συνόλου των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τις δοκιμές τριαξονικής φόρτισης UU και CU-PP, υπολογίστηκαν μέσοι όροι των τιμών της συνοχής των 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 6

i i,α E/E 25 2 15 1 5 Πίνακας 1. Συνοχή των εμποτισμένων άμμων Table 1. Cohesion values for grouted sands Μεγιστο Μέγεθος Κόκκου Τσιμέντων Συνοχή, c (kpa) Λόγος Ν/Τ d max (μm) 1:1 2:1 3:1 1 85 35 31 4 71 285 44 2 151 51 39 1 167 4 34 / α f f εε 1..8.6.4.2. 1 2 1 2 3 Λόγος Ν/Τ Σχήμα 7. Bελτίωση των χαρακτηριστικών παραμορφωσιμότητας των άμμων Figure 7. Improvement of the deformability characteristics of the sands εμποτισμένων άμμων, διαφοροποιημένοι ως προς τις δύο κυριότερες παραμέτρους που επηρεάζουν τη συνοχή, δηλαδή ως προς τον λόγο νερού προς τσιμέντο του αιωρήματος και ως προς την κοκκομετρία του τσιμέντου. Τα αποτελέσματα των υπολογισμών παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Με βάση τα στοιχεία αυτού του Πίνακα, προκύπτει ότι οι τιμές της συνοχής των εμποτισμένων άμμων, με αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=1, κυμαίνονται, κατά μέσο όρο, από 71kPa έως 85kPa για τις πιο χονδρόκοκκες κοκκομετρίες τσιμέντων (d max =1μm και 4μm) και από 151kPa έως 167kPa για τις πιο λεπτόκοκκες κοκκομετρίες τσιμέντων (d max =2μm και 1μm). Οι εμποτισμένες άμμοι με αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=2 και 3 εμφανίζουν τιμές συνοχής που κυμαίνονται από 285kPa έως 51kPa και από 31kPa έως 44kPa, αντίστοιχα, για όλες τις κοκκομετρίες τσιμέντου. Επομένως, φαίνεται ότι εμποτισμοί με πυκνά αιωρήματα παρουσιάζουν εμφανώς διαφορετική αποτελεσματικότητα, ανάλογα με το αν το τσιμέντο είναι λεπτόκοκκο ή χονδρόκοκκο. Αντίθετα, η αποτελεσματικότητα των 3 πιο αραιών ενέματων δεν επηρεάζεται από αυτή την παράμετρο. Γενικεύοντας, διαπιστώνεται οτι τα πυκνά αιωρήματα τσιμέντου χονδρόκοκκης κοκκομετρίας, προκαλούν ανάπτυξη συνοχής στις άμμους ίση, κατά μέσο όρο, προς 8kPa, ενώ τα πυκνά αιωρήματα τσιμέντου λεπτόκοκκης κοκκομετρίας, προκαλούν ανάπτυξη διπλάσιας συνοχής στις άμμους. Τα αραιότερα αιωρήματα τσιμέντου, ανεξάρτητα από την κοκκομετρία του τσιμέντου, προκαλούν ανάπτυξη συνοχής στις άμμους κατά μέσο όρο ίση προς 35kPa. Κατά συνέπεια, εμποτισμοί με πυκνά αιωρήματα (Ν/Τ=1:1) προσδίδουν σημαντικά μεγαλύτερη συνοχή σε σχέση με εμποτισμούς με τα πιο αραιά αιωρήματα (Ν/Τ=2:1 ή 3:1), η οποία μπορεί να είναι περίπου 2.5 φορές μεγαλύτερη για τις χονδρόκοκκες κοκκομετρίες τσιμέντου και έως 5 φορές μεγαλύτερη για τις λεπτόκοκκες κοκκομετρίες τσιμέντου. 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Με βάση τα αποτελέσματα που προέκυψαν και τις παρατηρήσεις που έγιναν στο πλαίσιο αυτής της εργαστηριακής διερεύνησης, μπορούν να διατυπωθούν τα εξής συμπεράσματα: 1. Ο λόγος νερού προς τσιμέντο (Ν/Τ) και η κοκκομετρία των τσιμέντων είναι οι κυρίαρχες παράμετροι που καθορίζουν τις μηχανικές ιδιότητες και συμπεριφορά των εμποτισμένων άμμων. 2. Η αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη των εμποτισμένων άμμων με αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=1,2 και 3 κυμαίνεται από 2ΜPa έως 11MPa, από.5mpa έως 2.5ΜΡa και από.5mpa έως 1.MPa, αντίστοιχα. 3. Η παραμόρφωση αστοχίας των εμποτισμένων άμμων σε δοκιμές ανεμπόδιστης θλίψης κυμαίνεται από.45% έως 1.1%, από.35% έως.63% και από.25% έως.35% για λόγους Ν/Τ=1,2 και 3 αντίστοιχα. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 7

4. Οι εμποτισμένες άμμοι που ελέγχονται με δοκιμές CU-PP εμφανίζουν, γενικά, ελαφρώς μειωμένες τιμές αρχικού μέτρου ελαστικότητας και αυξημένες τιμές παραμόρφωσης αστοχίας (κατά 2% έως 6%) σε σχέση με τις αντίστοιχες των δοκιμών UU. 5. To κριτήριο αστοχίας Mohr-Coulomb περιγράφει ικανοποιητικά τη συμπεριφορά των εμποτισμένων άμμων. 6. Οι εμποτισμοί με πυκνά αιωρήματα (Ν/Τ=1) αποδίδουν τιμές της συνοχής που είναι από 2 έως 5 φορές υψηλότερες αυτών που αποδίδουν εμποτισμοί με αραιά αιωρήματα (Ν/Τ=2 και 3). 7. Η συμπεριφορά τάσεων-παραμορφώσεων των εμποτισμένων άμμων με πυκνό και αραιό ένεμα είναι παρόμοια με την συμπεριφορά του ιζήματος τσιμέντου με λόγο Ν/Τ=1 και της καθαρής άμμου, αντίστοιχα. 8. Το αρχικό μέτρο ελαστικότητας των άμμων που εμποτίζονται με αιωρήματα με λόγο Ν/Τ=1,2 και 3 αυξάνεται από 7 έως 24, από 3 έως 7 και από 1.5 έως 5.5 φορές, αντίστοιχα. 9. Η παραμόρφωση αστοχίας των άμμων που εμποτίζονται με πυκνά ενέματα (Ν/Τ=1) μειώνεται κατά 5 έως 1 φορές, ενώ αυτών που εμποτίζονται με πιο αραιά ενέματα (Ν/Τ=2 και 3) μειώνει το πολύ κατά 2 φορές. 1. Εμποτισμός των άμμων είτε με πυκνά είτε με αραιά αιωρήματα προσδίδει συνοχή που κυμαίνεται σε ευρύ πεδίο τιμών (8 έως 15 kpa για Ν/Τ=1, κατά μέσο όρο 35 kpa για Ν/Τ=2 και 3). Η γωνία εσωτερικής τριβής των άμμων δεν επηρεάζεται από τον εμποτισμό, μπορεί όμως να εμφανίσει αύξηση ιδίως για εμποτισμό με πυκνό αιώρημα. 7. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ - ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΕΙΣ Αυτή η εργασία εκπονήθηκε στο πλαίσιο εκτέλεσης του ερευνητικού έργου 3ΕΔ527 του ΠΕΝΕΔ 23 που συγχρηματοδοτήθηκε κατά 75% της Δημόσιας Δαπάνης από την Ευρωπαϊκή Ενωση ΕΚΤ, 25% της Δημόσιας Δαπάνης από το Ελληνικό Δημόσιο ΥΠ.ΑΝ. Γ.Γ.Ε.Τ. και από τον Ιδιωτικό Τομέα. 8. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ανδρέου Π., Canou J. and Dupla J.C. (26), Μελέτη της Μηχανικής Συμπεριφοράς Αμμων Εμποτισμένων με Ενεμα Τσιμέντου, Πρακτικά, 5 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, Ξάνθη, Τόμος 1, σελ. 351-357. Clarke W.J., Boyd M.D. and Helal M. (1993), Ultrafine Cement Tests and Drilling Warm Spring Dam, ASCE, Geotechnical Special Publication No.35, pp.718-732. Dano, C., Hicher, P.Y. and Tailliez,S. (24), Engineering Properties of Grouted Sands. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol.13, No.3, pp. 328-338. Head K.H. (1986), Manual of Soil Laboratory Testing, Vol. 1-3, Pentech Press Ltd., London, England. Krizek R.J. and Helal M. (1992), Anisotropic Behavior of Cement Grouted Sand, ASCE, Geotechnical Special Publication No. 3, Vol. 1, pp. 541-55. Krizek R.J., Liao H.J. and Borden R.H. (1992), Mechanical Properties of Microfine Cement/Sodium Silicate Grouted Sand, ASCE, Geotechnical Special Publication No.3, Vol.1, pp.688-699. Μάρκου, Ι.Ν. (1995), Λειοτριβημένη Ελληνική Λιγνιτική Ιπτάμενη Τέφρα σαν Υλικό Ενεσης Τύπου Αιωρήματος για την Επί-τόπου Βελτίωση-Ενίσχυση Εδαφών, Διδακτορική Διατριβή, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών. Naeini S.A. and Ziaie-Moayed R. (23), Undrained Shear Strength and Liquefaction Potential of Loose Silty Sand Treated with Microfine Cement, Proceedings, 13 th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Prague, Czech Republic, Vol. 1, pp. 849-854. Saada Z., Canou j., Dormieux L. and Dupla J.C. (26), Evaluation of Elementary Filtration Properties of a Cement Grout Injected in a Sand, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 43, No 12, pp. 1273-1289. Santagata M.C. and Collepardi M. (1998), Selection of Cement-based Grouts for Soil Treatment, Proceedings, Sesions of Geo- Congress 98, Johnsen L. and Berry D., Editors, ASCE, Geotechnical Special Publication No. 8, pp. 177-195. Schwarz L.G. and Krizek R.J. (1994), Effect of Preparation Technique on Permeability and Strength of Cement-Grouted Sand, Geotechnical Testing Journal, ASTM, Vol. 17, No.4, pp. 434-443. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 8