Διατμητική Αντοχή Ινοπλισμένης Άμμου. Shear Strength of Fiber Reinforced Sand

Διατμητική Αντοχή Ινοπλισμένης Άμμου Shear Strength of Fiber Reinforced Sand ΑΝΑΓΝΩΣΤΟΠΟΥΛΟΣ, Κ. Πολιτικός Μηχανικός, Επίκουρος Καθηγητής, ΑΤΕΙΘ ΓΡΑΜΜΑΤΙΚΟΠΟΥΛΟΣ, Ι. Πολιτικός Μηχανικός, Αναπληρωτής Καθηγητής, ΑΠΘ ΑΝΑΣΤΑΣΙΑΔΗΣ, Α. Πολιτικός Μηχανικός, Λέκτορας, ΑΠΘ ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Η βελτίωση των ιδιοτήτων ενός ασθενούς μηχανικά εδάφους λόγω της ανάμιξής του με ίνες διαφόρων τύπων αποτελεί ένα σημαντικό πεδίο έρευνας τα τελευταία χρόνια. Η παρούσα εργασία μελετά τη βελτίωση των παραμέτρων διατμητικής αντοχής ενός αμμώδους εδάφους λόγω της προσθήκης διαφόρων ποσοστών ινών πολυπροπυλενίου. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές άμεσης διάτμησης για τον προσδιορισμό των παραμέτρων διάτμησης που αντιστοιχούν στη μέγιστη και στην παραμένουσα διατμητική αντοχή, όπως επίσης και της διατμητικής ακαμψίας. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν αύξηση των τιμών της γωνίας τριβής και της παραμένουσας διατμητικής αντοχής ενώ η διατμητική ακαμψία δεν έδειξε να μεταβάλλεται ιδιαίτερα. ABSTRACT: Soil reinforcement through the inclusion of oriented or randomly distributed discrete elements such as fibers has recently attracted increasing attention in geotechnical engineering. The present paper studies the improvement of shear strength parameters of a sandy soil mixed with different quantities of polypropylene fibers. Particularly, a series of direct shear tests were conducted in order to determine the peak and ultimate shear strength parameters as well as the shear stiffness. Laboratory results show that the fiber reinforcement improved the peak and ultimate strength, whereas the shear stiffness remains almost constant. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η χρήση εγκλωβισμάτων ινών με σκοπό τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων ασθενών εδαφών αποτελεί τα τελευταία χρόνια μία μέθοδο με ευρεία εφαρμογή στο πεδίο των γεωτεχνικών κατασκευών. Εφαρμογές στις οποίες η επιδιωκόμενη αύξηση της αντοχής του εδάφους επιτυγχάνεται κατόπιν ανάμιξής του με ίνες είναι η σταθεροποίηση εδαφικών πρανών (Gregory & Chill, 1998), η κατασκευή επιχωμάτων με εδαφικά υλικά χαμηλής αντοχής, η ελαχιστοποίηση των ρωγμών συστολής διαστολής σε συμπυκνωμένες αργιλικές στρώσεις (Ziegler at al., 1998), η μηχανική σταθεροποίηση βάσης οδοστρωμάτων (Choubane et al., 21) και αεροδιαδρόμων (Webster & Santoni, 1997, Tingle et al., 1999), η προστασία του εδάφους από φαινόμενα διάβρωσης. Η συμπεριφορά των ινοπλισμένων εδαφών έχει αποτελέσει τα τελευταία 2 χρόνια αντικείμενο μελέτης αρκετών ερευνητών. Ειδικότερα, πολλοί ερευνητές επικέντρωσαν την έρευνά τους στη μηχανική συμπεριφορά ινοπλισμένων αμμωδών εδαφών. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η προσθήκη ινών στη μάζα του εδάφους βελτιώνει γενικά τη μηχανική συμπεριφορά, όμως ένας γενικός κανόνας δεν μπορεί να εξαχθεί καθότι τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τις διάφορες μελέτες βρίσκονται ως επί το πλείστον σε πλήρη αντίθεση μεταξύ τους. Ο Consoli et al., (22) από τριαξονικές δοκιμές που πραγματοποίησε σε ινοπλισμένη λεπτή άμμο συμπέρανε ότι η προσθήκη ινών αυξάνει σημαντικά τη μέγιστη διατμητική αντοχή ενώ η ακαμψία δεν έδειξε να μεταβάλλεται. Σε παρόμοια συμπεράσματα κατέληξαν οι μελέτες των Shewbridge & Sitar (199), Murray et al., (2), Maher & Gray (199) και Gray & Ohashi (1983). Αντιθέτως, οι μελέτες των Temel & Omer (23) και Bauer & Oancea (1996) οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι η προσθήκη ινών δεν αυξάνει τη μέγιστη διατμητική αντοχή και συνεπώς την γωνία τριβής 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 1

1 9 8 Διερχόμενο (%) 7 6 5 4 3 2 1 1 1 Διάμετρος (mm),1,1 Σχήμα 1. Κοκκομετρική καμπύλη της άμμου. Figure 1. Grain size distribution of the used sand. ενώ αυξάνει ελαφρώς την διατμητική ακαμψία και την παραμένουσα αντοχή. Αντικείμενο της παρούσας μελέτης αποτελεί η πειραματική διερεύνηση της βελτίωσης που επιφέρει η προσθήκη ινών στην διατμητική αντοχή ενός αμμώδους εδάφους. Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές απευθείας διάτμησης σε δοκίμια άμμου ενισχυμένης με ίνες πολυπροπυλενίου με σκοπό την διερεύνηση της επίδρασης του ποσοστού περιεκτικότητας ινών στη μηχανική συμπεριφορά της άμμου, πριν, κατά και μετά την αστοχία. 2. ΥΛΙΚΑ Η άμμος που χρησιμοποιήθηκε για τα πειράματα προέρχεται από ποτάμιες αποθέσεις. Το μέγεθος των κόκκων της κυμαίνεται από,74 2 mm ενώ το κλάσμα με μέγεθος κόκκου d <,74 mm είναι περίπου 1,25 % του συνολικού ξηρού βάρους. Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται η κοκκομετρική καμπύλη της άμμου. Τα φυσικά της χαρακτηριστικά είναι: συντελεστής ομοιομορφίας c u = 5,67, ξηρό φαινόμενο βάρος γ d = 16,9 KN/m 3, κορεσμένο φαινόμενο βάρος γ sat = 2,3 ΚΝ/m 3 και πορώδες n =,34. Ο συντελεστής διαπερατότητας κ της άμμου με σχετική πυκνότητα D r =,96 είναι 6,4 1-5 m/s. Τα μηχανικά της χαρακτηριστικά προσδιορίσθηκαν από δοκιμές άμεσης διάτμησης και είναι: γωνία τριβής φ = 33,1 ο και συνοχή c = 14 kpa. Χρησιμοποιήθηκαν ίνες πολυπροπυλενίου ευρέως διαδεδομένες στο εμπόριο. Οι φυσικές και μηχανικές τους ιδιότητες σύμφωνα με τον προμηθευτή τους είναι: Διάμετρος = 2-4 μm, μήκος = 12 mm, ειδική επιφάνεια = 8,5 m 2 /N, πυκνότητα = 9,1 KN/m 3, εφελκυστική αντοχή = 5 (+/- 1 %) N/mm 2, μέτρο ελαστικότητας = 2.2-3. N/mm 2. 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Οι δοκιμές απευθείας διάτμησης πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με την προδιαγραφή ASTM D 38-4 σε κιβώτιο διάτμησης διαμέτρου 6 mm και ύψους 25 mm. Η γωνία τριβής φ και η συνοχή c προσδιορίσθηκαν για την ενισχυμένη με ίνες και χωρίς ίνες άμμο για κατακόρυφο φορτίο σ = 5, 1, 2 και 4 kpa. Όλες οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν με σταθερό ρυθμό διατμητικής παραμόρφωσης,2 mm/s. Η διατμητική τάση καταγραφόταν σε σχέση με τη διατμητική μετατόπιση και για συνολική μετατόπιση 25 %, ούτως ώστε να διευκρινισθεί πλήρως η επίδραση της προσθήκης ινών στην παραμένουσα αντοχή. Τα ινοπλισμένα δοκίμια άμμου παρασκευάσθηκαν με ποσοστό προσθήκης ινών,5,,75 και 1 % κατά βάρος ξηρού εδάφους ενώ ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στο να παρασκευασθούν με την ίδια ξηρή πυκνότητα που είχαν και τα δοκίμια καθαρής άμμου (σχετική πυκνότητα D r = 9 %). 4. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Ο Πίνακας 1 παρουσιάζει τις τιμές των παραμέτρων διατμητικής αντοχής (μέγιστη και παραμένουσα αντοχή) της ινοπλισμένης και μη άμμου οι οποίες προέκυψαν από τις δοκιμές απευθείας διάτμησης. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται οι τιμές της κατακόρυφης τάσης σ με 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 2

Πίνακας 1. Αποτελέσματα δοκιμών άμεσης διάτμησης Table 1. Summary of results obtained from direct shear tests Ποσοστό ινών (%) σ n τ max τ min Δl f (mm) φ (deg) φ ult (deg) δ (deg) c 5 46,55 3 1,78 1 79 6 2,5 2 146,8 12,2 2,94 33,1 31 2,1 14,5 4 274,6 24,3 3,53 5 53,3 35,1 2,5 1 91,1 7,3 2,2 2 166,7 14,6 3,4 37,1 35,1 2 15,5 4 317,9 281,1 4,28,75 1 5 5,9 38 2,5 1 91,8 75,9 2,95 2 173,6 151,8 3,48 4 337,2 33,6 4 5 51 39,8 2,55 1 94,4 79,5 3,3 2 181,3 159 3,52 4 355,1 318 4,1 c ult 39,3 37,2 2,1 1 41 38,5 2,5 7,5 τις αντίστοιχες τιμές της μέγιστης τ max και παραμένουσας διατμητικής αντίστασης τ min, η οριζόντια μετατόπιση Δl f κατά την αστοχία, η γωνία τριβής φ και η συνοχή c υπολογισθείσες από ανάλυση γραμμικής παλινδρόμησης για (τ max, σ), η γωνία τριβής φ ult υπολογισθείσα επίσης από ανάλυση γραμμικής παλινδρόμησης για (τ min, σ) και η διαστολή δ (= φ - φ ult ). Η ανάλυση παλινδρόμησης έδειξε ότι η περιβάλλουσα αστοχίας της ινοπλισμένης άμμου είναι γραμμική, όπως και η αντίστοιχη της μη οπλισμένης άμμου, με συντελεστές συσχετισμού πλησίον της μονάδας (R 2 =,98,99). Η προσθήκη των ινών αύξησε τη γωνία τριβής φ ενώ η συνοχή c παρέμεινε ουσιαστικά ανεπηρέαστη. Η αύξηση της φ είναι ανάλογη με το ποσοστό προσθήκης ινών (Σχήμα 2). Προσθήκη 1 % ινών είχε ως αποτέλεσμα αύξηση της φ κατά 7,9 ο. Παρόμοια αποτελέσματα (Σχήμα 3) λήφθηκαν και για την παραμένουσα διατμητική αντοχή (φ ult ) όπου η επίδραση της προσθήκης ινών βρέθηκε να είναι εξίσου σημαντική όπως και στην φ. Η μέγιστη τιμή της φ ult είναι 38,5 ο για ποσοστό προσθήκης ινών 1 %, δηλ. μεγαλύτερη σε σχέση με την αντίστοιχη τιμή της μη ενισχυμένης άμμου κατά 7,5 ο. Τα ανωτέρω αποτελέσματα αποδεικνύουν τη σημαντική συνεισφορά των ινών όχι μόνο στην αύξηση της μέγιστης διατμητικής αντοχής της άμμου αλλά και στη μείωση που αυ- Διατμητική τάση 45 4 35 3 25 2 15 1 5 % ίνες,5 % ίνες,75 % ίνες 1 % ίνες 5 1 15 2 25 3 35 4 45 Ορθή τάση Σχήμα 2. Περιβάλλουσες αστοχίας άμμου ενισχυμένης με ίνες και μη, για τ max. Figure 2. Failure envelopes of reinforced and unreinforced sand obtained from peak stress. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 3

35 Διατμητική τάση 3 25 2 15 1 5 % ίνες,5 % ίνες,75 % ίνες 1 % ίνες 5 1 15 2 25 3 35 4 45 Ορθή τάση Σχήμα 3. Περιβάλλουσες αστοχίας άμμου ενισχυμένης με ίνες και μη, για τ min. Figure 3. Failure envelopes of reinforced and unreinforced sand obtained from residual stress. τή υφίσταται στο στάδιο μετά τη θραύση. Αν ληφθεί υπόψη ότι οι παραμορφώσεις κατά το στάδιο διατμητικής αστοχίας ήταν αρκετά περιορισμένες (Δl f < 5 mm) οπότε η εφελκυστική αντοχή των ινών δεν ενεργοποιήθηκε στο σύνολό της, είναι ευκόλως αντιληπτό ότι σε αντίθετη περίπτωση (π.χ. μεγάλο κατακόρυφο φορτίο) η αύξηση της μέγιστης και ελάχιστης αντοχής θα είναι ακόμα μεγαλύτερη. Από το συσχετισμό διατμητικών τάσεων διατμητικών παραμορφώσεων φάνηκε ότι η ύπαρξη ινών, ανεξάρτητα από το ποσοστό προσθήκης τους δεν προσδίδει κάποια αισθητή αύξηση στην αρχική διατμητική ακαμψία της άμμου. Επίσης, η διατμητική μετατόπιση που αντιστοιχεί στη μέγιστη διατμητική τάση εμφανίζεται ελαφρώς αυξημένη αλλά ανεξάρτητη από το ποσοστό προσθήκης ινών. Σχετικά με την επιρροή της κλίμακας (μέγεθος ινών σε σχέση με το μέγεθος του δοκιμίου), η μέχρι τώρα έρευνα που έχει πραγματοποιηθεί έδειξε ότι το μέγεθος των δοκιμίων επιδρά στη μηχανική συμπεριφορά του ινοπλισμένου εδάφους. Οι Ang & Loehr (23) κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι όσο αυξάνεται το μέγεθος του δοκιμίου, με δεδομένο σταθερό μήκος ι- νών, η αντοχή μειώνεται ελαφρώς ενώ ο Consoli et al., (22) από τριαξονικές δοκιμές που πραγματοποίησε σε ινοπλισμένη λεπτή άμμο με ίνες διαφόρων μηκών βρήκε ότι η γωνία τριβής αυξάνεται ελαφρώς με την αύξηση του μήκους των ινών (τριπλασιασμός του μήκους της ίνας οδήγησε σε αύξηση της φ κατά 3 ο ). Βέβαια, λόγω της περιορισμένης έρευνας που έχει πραγματοποιηθεί όσον αφορά την επιρροή της κλίμακας στη μηχανική αντοχή ινοπλισμένων εδαφών, η περαιτέρω διερεύνηση αυτού του φαινομένου εμφανίζεται ιδιαιτέρως ενδιαφέρουσα. 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η προσθήκη ινών βελτιώνει σημαντικά τη διατμητική αντοχή ενός αμμώδους εδάφους. Συγκεκριμένα, προέκυψαν τα παρακάτω συμπεράσματα: 1) Οι τιμές των φ και φ ult αυξάνονται όσο αυξάνεται το ποσοστό προσθήκης ινών. Αντιθέτως, η συνοχή παρουσιάζεται ανεπηρέαστη. 2) Η προσθήκη ινών δεν επιφέρει κάποια ιδιαίτερη αύξηση στην αρχική διατμητική ακαμψία ενώ οι παραμορφώσεις κατά τη φάση διατμητικής αστοχίας εμφανίζονται ελαφρώς υψηλότερες συγκρινόμενες με αυτές της μη ενισχυμένης άμμου. 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ang, E.C. and Loehr, J.E. (23), Specimen Size Effects for Fiber Reinforced Silty Clay in Unconfined Compression, Geotechnical Testing Journal, Vol. 26, Νο 2, pp. 1-1. ASTM Standard D 38-4. (25), Standard Test Method for Direct Shear Test of Soils Under Consolidated Drained Conditions, ASTM International, West Conshohocken, PA. Bauer, G.E. and Oancea, A. (1996), Triaxial testing of granular soils reinforced with discrete polypropylene fibers, Proceedings of 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 4

the 1 st European Geosynthetics Conference on Geosynthetics: Applications, Design and Construction, A.A. Balkema, Rotterdam, pp. 47-41. Choubane, B., Armaghani, J.M. and Ho, R.K. (21), Full-Scale Laboratory Evaluation of Polypropylene Fiber Reinforcement of Subgrade Soils, Transportation Research Board Annual Meeting, Washington, DC, Paper No 1-2157. Consoli, C.N., Montardo, P.J., Prietto, M.D.P. and Pasa, S.G. (22), Engineering Behaviour of a Sand Reinforced with Plastic Waste, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 128, Issue 6, pp. 462-472. Gray, D.H. and Ohashi, H. (1983), Mechanics of Fiber Reinforcement in Sand, Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 19, No 3, pp. 335-353. Gregory, G.H and Chill, D.S. (1998), Stabilization of Earth Slopes with Fiber Reinforcement, Proceedings of the 6 th International Conference on Geosynthetics, Atlanta, GA, pp. 173-178. Maher, M.H. and Gray, D.H. (199), Static Response of Sands Reinforced with Randomly Distributed Fibers, Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 116, No 11, pp. 1661-1677. Murray, J.J., Frost, J.D. and Wang, Y. (2), Behaviour of a Sandy Silt Reinforced with Discontinuous Recycled Fiber Inclusions, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, No 1714, Paper No -133, pp. 9-17. Shewbridge, E. and Sitar, N. (199), Deformation-based model for reinforced sand, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 116, Issue 7, pp. 1153-117. Temel, Yetimoglou and Omer Salbas, (23), A study on shear strength of sands reinforced with randomly distributed discrete fibers, Geotextiles and Geomembranes, Issue 21, pp. 13-11. Tingle, J.S., Webster, S.L. and Santoni, R.L. (1999), Discrete Fiber Reinforcement of Sands for Expedient Road Construction, Technical Report GL 99-3, U.S. Army Corps of Engineers Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS. Webster, S.L. and Santoni, R.L. (1997), Contingency Airfield and Road Construction Using Geosynthetic Fiber Stabilization of Sands, Technical Report GL 97-4, U.S. Army Corps of Engineers Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS. Ziegler, S., Leshchinky, D., Ling, H.L. and Perry E.B. (1998), Effect of Short Polymeric Fibers on Crack Development in Clays, Soils and Foundations, Japanese Geotechnical Society, Vol. 38, Issue 1, pp. 247-253. 6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 5

6ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, 29/9 1/1 21, Βόλος 6