Ιωάννης Ν. Μάρκου Αναπλ. Καθηγητής Εδάφη Ενισχυμένα με Γεωυφάσματα Μηχανική Συμπεριφορά και Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών Εργ. Εδαφομηχανικής & Θεμελιώσεων Αλληλεπίδραση Υλικών
Εισαγωγή Ο σχεδιασμός κατασκευών οπλισμένου εδάφους απαιτεί τη γνώση της μηχανικής συμπεριφοράς του σύνθετου υλικού και του μηχανισμού αλληλεπίδρασης στη διεπιφάνεια εδάφους οπλισμού. Η μηχανική συμπεριφορά εδαφών ενισχυμένων με γεωυφάσματα διερευνάται συχνά με την εκτέλεση δοκιμών τριαξονικής φόρτισης. Τα χαρακτηριστικά αλληλεπίδρασης εδάφους - γεωσυνθετικού αποκτώνται με την εκτέλεση μεγάλης κλίμακας δοκιμών άμεσης διάτμησης και εξόλκευσης. Αντικείμενο: Παρουσίαση των αποτελεσμάτων εκτεταμένης εργαστηριακής διερεύνησης σε διαφορετικά εδάφη ενισχυμένα με ποικιλία γεωυφασμάτων.
Ξηρές & Πυκνές Άμμοι Συνεκτικό Έδαφος Εδαφικά Υλικά Υπογωνιώδεις κόκκοι φ= 45 48 o Στρογγυλευμένοι κόκκοι φ= 35 37 ο CL κατά U.S.C.S. D 50 = 3,00 mm D 50 = 1,00 mm D 50 = 0,71 mm D 50 = 0,71 mm D 50 = 0,51 mm D 50 = 0,25 mm Συμπύκνωση: γdmax και wopt ±0,5% (Πρότυπη δοκ. Proctor)
Γεωυφάσματα 15 Μη υφαντά 15 Υφαντά Βελονοδιάτρητα Πολυπροπυλενίου Θερμικά συγκολλημένα Πολυεστέρα (υψηλής αντοχής) Βελονοδιάτρητα με θερμικά επεξεργασμένες επιφάνειες Με ανοίγματα μεγέθους 0,77 ή 1,20 mm
Δοκίμια Ενισχυμένου Εδάφους Διάμετροι: 50 & 70 mm, Ύψη: 106 & 144 mm 3, 5 & 7 στρώσεις γεωυφάσματος
Δοκιμές Τριαξονικής Φόρτισης Χρήση συμβατικού εξοπλισμού Δοκιμές χωρίς Στερεοποίηση χωρίς Στράγγιση Πιέσεις θαλάμου: 10 kpa - 600 kpa Ταχύτητα αξονικής μετακίνησης: 0,60 mm/min (αστράγγιστες συνθήκες φόρτισης)
Καμπύλες Τάσεων Παραμορφώσεων Deviator stress, σ1-σ3, (kpa) 2500 2000 1500 1000 500 50 200 100 400 σ 3, (kpa) (a) Ottawa 20-30 sand TB geotextile Deviator Stress, σ1-σ3, (kpa) 500 400 300 200 100 50 25 200 100 σ 3, (kpa) 10 (b) Fine-grained soil TB geotextile 0 0 5 10 15 20 Axial strain, ε (%) 0 0 5 10 15 20 Axial Strain, ε (%) ε fu [%] ε fr [%] Λόγος ε fr / ε fu Άμμος 1,7 3,3 2,4 11,0 1,0 6,6 (Μ.Ο.: 2,4) Συνεκτικό 8,1 19,3 10,9 20,0 0,8 2,5 (Μ.Ο.: 1,2)
Επίδραση Τύπου Εδάφους S R = (σ 1 -σ 3 ) r /(σ 1 -σ 3 ) ur Άμμος: S R =2,2 4,6 5,0 4,0 Συνεκτικό έδαφος: S R = 0,9 1,8 Η επίδραση της ενίσχυσης στην αντοχή είναι υψηλότερη στην άμμο σε σχέση με το συνεκτικό έδαφος Strength Ratio, SR 3,0 2,0 1,0 0,0 Ottawa 20-30 Sand Fine-grained Soil 0 100 200 300 Cell Pressure, σ 3 (kpa)
Μορφή Αστοχίας Δοκιμίων Ενισχυμένου Εδάφους Διόγκωση εδάφους μεταξύ των στρώσεων γεωυφάσματος Άμμος Συνεκτικό Άμμος: Αύξηση διαμέτρου γεωυφάσματος Καλή συνεργασία υλικών Συνεκτικό: Αμετάβλητη διάμετρος γεωυφάσματος Ανεπαρκής συνεργασία υλικών
Επίδραση Αριθμού Στρώσεων Γεωυφάσματος Strength ratio, S R 15 10 5 0 S 20-30 sand H 50.145 geotextile 3 layers 5 layers 7 layers (a) 0 50 100 150 200 250 Confining pressure, σ 3 (kpa) Η βελτίωση της αντοχής της άμμου αυξάνεται σημαντικά με την αύξηση του αριθμού στρώσεων γεωυφάσματος. Οι τιμές του S R : είναι πάντα υψηλότερες της μονάδας είναι στις περισσότερες περιπτώσεις υψηλότερες από 2 μπορούν να φθάσουν το 15
Strength ratio, S R 10 8 4 2 1 Επίδραση Ιδιοτήτων Γεωυφάσματος R 30-40 sand, SG 80/80 geot. R 30-40 sand, H 50.145 geot. S 16-20 sand, SG 80/80 geot. S 16-20 sand, H 50.145 geot. 5 geotextile layers 0 50 100 150 200 250 Confining pressure, σ 3 (kpa) (b) Το υφαντό γεωύφασμα H 50.145 έχει χαμηλότερη εφελκυστική αντοχή αλλά οδηγεί σε υψηλότερεςτιμέςτουs R από το υφαντό γεωύφασμα SG 80/80. Η ύπαρξη ανοιγμάτων (οπών) στο γεωύφασμα H 50.145 ενεργοποιεί το μηχανισμό αλληλοεμπλοκής του με τους κόκκους της άμμου.
Η αντοχή των ενισχυμένων άμμων αυξάνεται με τη μείωση του μεγέθους κόκκων της άμμου. Η αύξηση αυτή δεν είναι τόσο έντονη όσο αυτή που προκαλείται από το σχήμα κόκκων της άμμου. Peak deviator stress, (σ 1 -σ 3 ) max (kpa) Επίδραση Μεγέθους 2500 2000 1500 1000 500 Κόκκων Άμμου SF 56 geotextile 5 layers S 4-10 sand S 16-20 sand S 20-30 sand 0 50 100 150 200 250 Confining pressure, σ 3 (kpa) (d)
Επίδραση Σχήματος Κόκκων Άμμου και Περιβάλλουσας Τάσης Strength ratio, S R 8 7 6 5 4 3 2 1 N 66447 geotextile 5 layers R 20-30 sand S 20-30 sand 0 50 100 150 200 250 Confining pressure, σ 3 (kpa) (c) Ηάμμος με υπογωνιώδεις κόκκους δίδει υψηλότερες τιμές S R και ε fr συγκριτικά με μία ισομεγέθη άμμο με στρογγυλευμένους κόκκους. ΗτιμήτουS R αυξάνεται με τη μείωση της τάσης σ 3 ως α- ποτέλεσμα του σχήματος των περιβαλλουσών αστοχίας.
Οι τιμές της κρίσιμης ορθής τάσης, σ vcr : κυμαίνονται από 70 kpa έως 330 kpa εξαρτώνται από τον τύπο και τις ιδιότητες των γεωυφασμάτων αυξάνουν όσο αυξάνει ο αριθμός στρώσεων γεωυφάσματος Τύπος αστοχίας I: ολίσθηση άμμου γεωυφάσματος. Τύπος αστοχίας II: κοινή παραμόρφωση άμμου οπλισμού. Shear stress, τf (kpa) 1000 800 600 400 200 Ι Περιβάλλουσες Αστοχίας Άμμος ΙΙ S 20-30 S 16-20 S 4-10 R 40-100 R 30-40 R 20-30 Διγραμμικές Περιβάλλουσες Αστοχίας Geotextile N 66447 0 0 200 400 600 800 1000 σvcr Normal stress, σnf (kpa)
Περιβάλλουσες Αστοχίας Συνεκτικό Έδαφος Major pr. stress at failure, σ 1f (kpa) 700 (b) 600 500 400 300 Fine-grained soil Geotextile: N-2 200 Geotextile: W-2 100 0 50 100 150 200 250 Minor principal stress, σ 3 (kpa) Διγραμμική μορφή περιβαλλουσών αστοχίας λόγω μεταβολής των συνθηκών στράγγισης στο ενισχυμένο έδαφος με την αύξηση της ορθής τάσης. Το σημείο θλάσης εμφανίζεται σε τιμές της ορθής τάσης: 169 kpa 195 kpa (υφαντά) 229 kpa 252 kpa (μη υφαντά)
Δοκιμές Άμεσης Διάτμησης Διεπιφάνειες Άμμου Γεωυφάσματος Τετραγωνικά φορεία διαστάσεων 300 x 300 mm 100 x 100 mm Ορθές τάσεις: 100, 200 και 400 kpa Σταθερός ρυθμός διάτμησης = 0,33 %/min ή 0,25 %/min
Διεπιφάνειες Άμμου Γεωυφάσματος Περιβάλλουσες Αστοχίας 400 400 Shear stress, τ (kpa) 300 200 100 0 SF 56 F 400 (S.S.) F 400 (H.S.) 0 100 200 300 400 500 Normal stress, σ n (kpa) Shear stress, τ (kpa) 300 200 100 0 SG 80/80 N 66447 0 100 200 300 400 500 Normal stress, σ n (kpa) Γραμμικές περιβάλλουσες αστοχίας Αμελητέες τιμές συνάφειας Σταθερές τιμές της φαινόμενης γωνίας τριβής, δ
Διεπιφάνειες Άμμου Γεωυφάσματος Τιμές Συντελεστή Αλληλεπίδρασης Γεωύφασμα Φορείο 300 mm Φορείο 100 mm Διαφορά των tanδ Τύπος tanδ E φ (%) tanδ E φ (%) B 200 Μη υφαντό 0,69 94 0,69 94 0.0 TS 50 Μη υφαντό 0,66 90 0,63 86 + 4.5% SF 56 Μη υφαντό 0,58 79 0,60 82 3.4% F 400 Μη υφαντό 0,69 94 0,73 100 5.8% SG80/80 Υφαντό 0,76 104 0,66 90 + 13.2% HS400/50 Υφαντό 0,72 99 0,71 97 + 1.4% N 66447 Υφαντό 0,67 92 0,74 101 10.4% H 50.145 Υφαντό 0,63 86 0,69 94 9.5%
Διεπιφάνειες Συνεκτικού Εδάφους - Γεωυφάσματος Τετραγωνικό φορείο 100 x 100 mm Ορθές τάσεις: 10 400 kpa Ταχύτητα διάτμησης: 0,25 mm/min
Συνεκτικό Έδαφος Γεωύφασμα Περιβάλλουσες Αστοχίας Διατμ. Τάση Αστοχίας (kpa) 250 200 150 100 50 0 Γεωύφασμα : NW - PP Ι ΙΙ τ α = 0,312σ nα + 68 R 2 = 0,9984 τ α = 0,816σ nα + 11 R 2 = 0,9902 (α) 0 100 200 300 400 500 600 700 Ορθή Τάση Αστοχίας (kpa) ca tanδ Περιοχή Ι: χαμηλή συνάφεια και υψηλή γωνία τριβής Περιοχή ΙΙ: c a = 85% - 95% του c και tanδ tanφ
Συμπεράσματα Μηχανική Συμπεριφορά Η επίδραση της ενίσχυσης στην αντοχή είναι υψηλότερη στην άμμο σε σχέση με το συνεκτικό έδαφος λόγω καλύτερης συνεργασίας των υλικών. Οι ενισχυμένες άμμοι παρουσιάζουν υψηλότερη αντοχή και παραμορφωσιμότητα από τις μη ενισχυμένες άμμους. Η αντοχή της ενισχυμένης άμμου μπορεί να ισούται με 15 φορές την αντοχή της απλής άμμου. Η βελτίωση αντοχής αυξάνεται στις άμμους με υπογωνιώδεις κόκκους, για γεωυφάσματα με ανοίγματα, με την αύξηση του αριθμού στρώσεων γεωυφάσματος και με τη μείωση της περιβάλλουσας τάσης. Οι δοκιμές τριαξονικής φόρτισης δίδουν διγραμμικές περιβάλλουσες αστοχίας για τα ενισχυμένα εδάφη.
Συμπεράσματα Αλληλεπίδραση Υλικών Η αλληλεπίδραση στην επιφάνεια επαφής άμμου γεωυφάσματος περιγράφεται με γραμμικές περιβάλλουσες αστοχίας που παρουσιάζουν αμελητέα συνάφεια και σταθερή φαινόμενη γωνία τριβής. Οι δοκιμές άμεσης διάτμησης με τετραγωνικά φορεία πλευράς 300 mm και 100 mm έδωσαν συγκρίσιμα αποτελέσματα. Επομένως, το φορείο 100 mm είναι κατάλληλο για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης υλικών παρόμοιων με αυτά της παρούσας έρευνας. Η αλληλεπίδραση άμμου γεωυφάσματος επηρεάζεται σημαντικά από τον τύπο γεωυφάσματος. Η αλληλεπίδραση συνεκτικού εδάφους γεωυφάσματος εξαρτάται από την τιμή της ορθής τάσης.
Ευχαριστίες Ερευνητικά Έργα: ΠΡΕΝΕΔ 99 & ΠΑΒΕΤ ΠΒΑΜΘ 25 Π. Άγγονας Η. Αναστασιάδης Β. Αναστασόπουλος Σ. Αντωνιάδης Μ. Βούλγαρης Χ. Γαλάνης Θ. Γκέκη Β. Δασκαλή Α. Δρουδάκης Δ. Ιωάννου Χ. Ιωάννου Σ. Καραβασίλη Α. Μπαρουξή Π. Μπογιατζόπουλος Δ. Νοβίδης Μ. Παπαδοπούλου Δ. Παπαμάξιμου Γ. Σιρκελής Ε. Σφύρη Γ. Τελλίδης Ε. Χαλβατζοπούλου
Σας ευχαριστώ πολύ για την προσοχή σας