Уплотнение почвы

Два одометра в Кембриджском университете

Уплотнение почвы относится к механическому процессу , при котором почва постепенно меняет объем в ответ на изменение давления . Это происходит потому, что почва представляет собой трехфазный материал, состоящий из почвенных зерен и поровой жидкости, обычно грунтовых вод . Когда почва , насыщенная водой, подвергается увеличению давления, высокая объемная жесткость воды по сравнению с матрицей почвы означает, что вода изначально поглощает все изменения давления без изменения объема, создавая избыточное давление поровой воды . По мере того как вода диффундирует из областей высокого давления из-за просачивания , матрица почвы постепенно воспринимает изменение давления и сжимается в объеме. Таким образом, теоретическая основа консолидации тесно связана с концепцией эффективного напряжения и гидравлической проводимости . Ранние теоретические современные модели были предложены сто лет назад Карлом Терцаги и Полом Филлунгером в соответствии с двумя разными подходами . Модель Терзаги в настоящее время наиболее широко используется в инженерной практике и основана на уравнение диффузии . ^{[ 1 ]}

В узком смысле «консолидация» относится строго к этой замедленной объемной реакции на изменение давления из-за постепенного движения воды. В некоторых публикациях термин «консолидация» также используется в широком смысле для обозначения любого процесса, при котором объем почвы изменяется из-за изменения приложенного давления. Это более широкое определение охватывает общую концепцию грунта уплотнения , проседания и пучения . Некоторые типы почв, в основном богатые органическими веществами , демонстрируют значительную ползучесть , при которой почва медленно меняет объем при постоянном эффективном напряжении в течение более длительного периода времени, чем консолидация, из-за диффузии воды. Чтобы различать эти два механизма, «первичная консолидация» относится к консолидации за счет рассеивания избыточного давления воды, а «вторичная консолидация» относится к процессу ползучести.

Последствия консолидации наиболее заметны, когда здание расположено на слое почвы с низкой жесткостью и низкой проницаемостью, например, морской глины , что приводит к большой осадке в течение многих лет. Типы строительных проектов, где консолидация часто представляет технический риск, включают мелиорацию земель , строительство насыпей , а также рытье туннелей и подвалов в глине.

Инженеры-геотехники используют одометры для количественной оценки эффекта консолидации. При испытании на одометре к тонкому диску образца почвы прикладывается ряд известных давлений и регистрируется изменение толщины образца со временем. Это позволяет количественно оценить характеристики консолидации почвы с точки зрения коэффициента консолидации ( $C_{v}$ ) и гидравлическая проводимость ( $K$ ).

Глины подвергаются консолидационной осадке не только под действием внешних нагрузок (дополнительных нагрузок), но и под собственным весом или весом грунтов, находящихся над глиной.

Глины также подвергаются оседанию при обезвоживании (откачке грунтовых вод), поскольку эффективная нагрузка на глину увеличивается.

Крупнозернистые грунты не подвергаются консолидационной осадке из-за относительно высокой гидравлической проводимости по сравнению с глинами. Вместо этого крупнозернистые почвы подвергаются немедленному оседанию.

История и терминология

Первые современные теоретические модели консолидации почвы были предложены в 1920-х годах Терзаги и Филлунгером в соответствии с двумя существенно разными подходами. ^{[ 1 ]} Первый был основан на уравнениях диффузии в эйлеровой записи , тогда как второй рассматривал локальный закон Ньютона как для жидкой, так и для твердой фазы, в котором основные переменные, такие как парциальное давление, пористость, локальная скорость и т. д., были задействованы посредством смеси теория . Терзаги имел инженерный подход к проблеме консолидации грунта и предложил упрощенные модели, которые до сих пор широко используются в инженерной практике, тогда как, с другой стороны, Филлунгер строго подходил к вышеуказанным проблемам и предлагал строгие математические модели, которым уделялось особое внимание. к методам локального усреднения задействованных переменных. Модель Филлунджера была очень абстрактной и включала переменные, которые было трудно обнаружить экспериментально, и, следовательно, она не была применима для изучения реальных случаев инженерами и/или дизайнерами. Тем не менее это послужило основой для передовых теоретических исследований особо сложных проблем. Из-за разного подхода двух ученых к проблеме консолидации между ними возник ожесточенный научный спор, который, к сожалению, привел к трагическому финалу в 1937 году. После самоубийства Филлунджера его теоретические результаты были забыты на десятилетия, а предложенные методы Терзаги нашли широкое распространение среди ученых и специалистов. В последующие десятилетия Био полностью разработал теорию трехмерной консолидации грунтов, расширив одномерную модель, предложенную ранее Терзаги, до более общих гипотез и введя систему основных уравнений пороупругости . Сегодня одномерная модель Терзагиса по-прежнему наиболее часто используется инженерами из-за ее концептуальной простоты и поскольку она основана на экспериментальных данных, таких как одометрические испытания , которые относительно просты, надежны и недороги и для которых теоретические решения в закрытой форме являются приемлемыми. хорошо известен. По мнению «отца механики грунтов » Карла фон Терцаги , консолидация — это «любой процесс, который предполагает уменьшение содержания воды в насыщенной почве без замены воды воздухом». В более общем смысле консолидация относится к процессу, посредством которого почвы меняют объем в ответ на изменение давления , включая как уплотнение, так и набухание. ^{[ 2 ]}

Величина изменения объема

Консолидация — это процесс, при котором уменьшение объема происходит за счет постепенного вытеснения или поглощения воды под действием длительных статических нагрузок. ^{[ 3 ]}

Когда к почве прилагается напряжение , частицы почвы слипаются друг с другом более плотно. Когда это происходит в почве, насыщенной водой, вода будет выдавливаться из почвы. Величину консолидации можно предсказать множеством различных методов. В классическом методе, разработанном Терзаги, почвы испытываются с помощью одометра для определения их сжимаемости. В большинстве теоретических формулировок предполагается логарифмическая зависимость между объемом образца почвы и эффективным напряжением, переносимым частицами почвы. Константа пропорциональности (изменение коэффициента пустот на порядок изменения эффективного напряжения) известна как индекс сжатия и обозначается символом $\lambda$ при расчете в натуральном логарифме и $C_{C}$ при расчете в десятичном логарифме. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Это можно выразить следующим уравнением, которое используется для оценки изменения объема слоя почвы:

$\delta _{c}={\frac {C_{c}}{1+e_{0}}}H\log \left({\frac {\sigma _{zf}'}{\sigma _{z0}'}}\right)\$

где

δ _c – расчет в результате консолидации.

C _c – индекс сжатия.

e ₀ — начальная степень пустотности .

H – высота сжимаемого грунта.

σ _zf — конечное вертикальное напряжение.

σ _z0 – начальное вертикальное напряжение.

Когда напряжение с консолидированной почвы снимается, почва восстанавливается, восстанавливая часть объема, потерянного в процессе консолидации. Если напряжение будет применено повторно, почва снова консолидируется по кривой рекомпрессии, определяемой индексом рекомпрессии. Градиент линий набухания и рекомпрессии на графике коэффициента пустотности в зависимости от логарифма эффективного напряжения, который часто идеализируется как принимающий одно и то же значение, известный как «индекс набухания» (обозначается символом $\kappa$ при расчете в натуральном логарифме и $C_{S}$ при расчете в десятичном логарифме).

C _c можно заменить на C _r (индекс рекомпрессии) для использования в переуплотненных грунтах, где конечное эффективное напряжение меньше, чем напряжение предварительного уплотнения. Когда окончательное эффективное напряжение превышает напряжение предварительного уплотнения, эти два уравнения должны использоваться в сочетании для моделирования как части рекомпрессии, так и части первичного сжатия процессов консолидации, как показано ниже:

$\delta _{c}={\frac {C_{r}}{1+e_{0}}}H\log \left({\frac {\sigma _{zc}'}{\sigma _{z0}'}}\right)+{\frac {C_{c}}{1+e_{0}}}H\log \left({\frac {\sigma _{zf}'}{\sigma _{zc}'}}\right)\$

где σ _zc – напряжение предварительного уплотнения грунта.

Этот метод предполагает, что консолидация происходит только в одном измерении. Лабораторные данные используются для построения графика зависимости деформации или коэффициента пустот от эффективного напряжения , где ось эффективного напряжения находится в логарифмическом масштабе . Наклон графика — это индекс сжатия или индекс рекомпрессии. Тогда уравнение консолидационной осадки нормально консолидированного грунта можно определить следующим образом:

Почва, с которой была снята нагрузка, считается «переуплотненной». Это относится к почвам, на которых ранее были ледники или которые пострадали от проседания земли . ^{[ 5 ]} Самый высокий стресс, которому он подвергся, называется « стрессом предварительной консолидации ». «Коэффициент чрезмерной консолидации» (OCR) определяется как наибольший пережитый стресс, разделенный на текущий стресс. Почва, которая в настоящее время испытывает наибольшую нагрузку, считается «нормально консолидированной» и имеет показатель OCR, равный единице. Грунт можно считать «недоуплотненным» или «неуплотненным» сразу после приложения новой нагрузки, но до того, как избыточное давление поровой воды рассеется. Иногда пласты почвы, образующиеся в результате естественного отложения в реках и морях, могут иметь исключительно низкую плотность, которую невозможно достичь с помощью одометра; этот процесс известен как «внутренняя консолидация». ^{[ 6 ]}

Зависимость от времени

Весенняя аналогия

Процесс консолидации часто объясняют идеализированной системой, состоящей из источника , контейнера с отверстием в крышке и воды. В этой системе источник представляет собой сжимаемость или структуру самой почвы, а вода, наполняющая контейнер, представляет собой поровую воду в почве.

Контейнер полностью заполняется водой, а отверстие закрывается. (Полностью насыщенная почва)
На крышку прикладывается нагрузка, пока отверстие еще не раскрыто. На этом этапе приложенной нагрузке сопротивляется только вода. (Развитие избыточного порового давления воды)
Как только отверстие открывается, вода начинает вытекать через отверстие и пружина укорачивается. (Дренаж избыточного порового давления воды)
Через некоторое время отвода воды больше не происходит. Теперь только пружина сопротивляется приложенной нагрузке. (Полное рассеивание избыточного давления поровой воды. Конец консолидации)

Аналитическая формулировка коэффициента консолидации

Время консолидации можно предсказать. Иногда консолидация может занять годы. Это особенно верно для насыщенных глин, поскольку их гидравлическая проводимость чрезвычайно низка, и это приводит к тому, что воде требуется исключительно много времени для выведения из почвы. Во время дренажа поровое давление воды превышает нормальное, поскольку оно принимает на себя часть приложенного напряжения (в отличие от частиц почвы).

$T_{v}={\frac {c_{v}*t}{(H_{dr})^{2}}}\$

Где T _v – временной фактор.

H _dr — средний самый длинный путь стока во время консолидации.

t — время измерения

C _v определяется как коэффициент консолидации, найденный с использованием логарифмического метода с

$C_{v}={\frac {T_{50}H_{dr}^{2}}{t_{50}}}$

или корневой метод с

$C_{v}={\frac {T_{95}H_{dr}^{2}}{t_{95}}}$

t ₅₀ время до 50% деформации (уплотнения) и t ₉₅ это 95%

Где Т ₉₅ =1,129 Т ₅₀ =0,197

Слизняк

Теоретическая формулировка, приведенная выше, предполагает, что изменение объема грунтовой единицы во времени зависит только от изменений эффективного напряжения из-за постепенного восстановления установившегося давления поровой воды. Это справедливо для большинства типов песка и глины с низким содержанием органических веществ. Однако в почвах с большим количеством органического материала, таких как торф , также возникает явление ползучести , при котором почва постепенно меняет объем при постоянном эффективном напряжении. Ползучесть почвы обычно вызвана вязким поведением системы глина-вода и сжатием органического вещества.

Этот процесс ползучести иногда называют «вторичной консолидацией» или «вторичным сжатием», поскольку он также включает постепенное изменение объема грунта в ответ на приложение нагрузки; обозначение «вторичная» отличает ее от «первичной консолидации», которая относится к изменению объема вследствие рассеивания избыточного давления поровой воды. Ползучесть обычно происходит в течение более длительного периода времени, чем (первичная) консолидация, так что даже после восстановления гидростатического давления некоторое сжатие грунта происходит с медленной скоростью.

Аналитически предполагается, что скорость ползучести экспоненциально затухает со временем с момента приложения нагрузки, что дает формулу:

$S_{s}={\frac {H_{0}}{1+e_{0}}}C_{a}\log \left({\frac {t}{t_{95}}}\right)\$

Где H ₀ – высота уплотняющей среды
e ₀ — начальная степень пустотности.
C _a — индекс вторичного сжатия.
t - продолжительность времени после рассматриваемой консолидации
t ₉₅ — период времени для достижения 95% консолидации.

Деформационные характеристики консолидации

Коэффициент сжимаемости $a_{v}={\frac {\Delta e}{\Delta \sigma _{'}}}$ . Сжимаемость насыщенных образцов глинистых минералов увеличивается в ряду каолинит < иллит < смектит. Индекс сжатия Cc, который определяется как изменение коэффициента пустот при десятикратном увеличении давления консолидации, находится в пределах от 0,19 до 0,28 для каолинита, от 0,50 до 1,10 для иллита и от 1,0 до 2,6 для монтмориллонита для различных ионных формы. ^{[ 7 ]} Чем более сжимаема глина, тем более выражено влияние типа катиона и концентрации электролита на сжимаемость.

Коэффициент объемной сжимаемости $m_{v}={\frac {\Delta V/V}{\Delta \sigma _{'}}}={\frac {a_{v}}{\Delta \sigma _{'}}}$

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Геррьеро, Винченцо (декабрь 2022 г.). «1923–2023: один век со дня формулировки принципа эффективного напряжения, теории консолидации и моделей взаимодействия жидкость-пористо-твердое тело» . Геотехника . 2 (4): 961–988. doi : 10.3390/geotechnics2040045 . ISSN 2673-7094 .
^ Шофилд, Эндрю Ноэль; Рот, Питер (1968). Критическое состояние грунтов. Механика . МакГроу-Хилл. ISBN 9780641940484 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ламбе, Т. Уильям; Уитмен, Роберт В. (1969). Механика почвы . Уайли. ISBN 9780471511922 .
^ Чан, Дерик Ю.К. (2016). Пучение фундаментной плиты в переуплотненной глине (диссертация магистра наук). Кембриджский университет.
^ Томас, Р.; Доменек, К.; Мира, А.; Куэнка, А.; Дельгадо, Дж. (22 мая 2007 г.). «Напряжение перед консолидацией в районах Вега-Баха и Медиа реки Сегура (юго-восток Испании): причины и связь с изменениями пьезометрического уровня» . Инженерная геология . 91 (2): 135–151. дои : 10.1016/j.enggeo.2007.01.006 . ISSN 0013-7952 .
^ Берланд, Дж. Б. (1 сентября 1990 г.). «О сжимаемости и прочности природных глин на сдвиг» . Геотехника . 40 (3): 329–378. дои : 10.1680/geot.1990.40.3.329 . ISSN 0016-8505 .
^ Корнельский университет, 1950 г.

Библиография

Кодуто, Дональд (2001), Foundation Design , Прентис-Холл, ISBN 0-13-589706-8
Ким, Мён Мо (2000), Механика почвы (на корейском языке) (4-е изд.), Сеул : Munundang, ISBN 89-7393-053-2
Терзаги, Карл (1943), Теоретическая механика грунтов , John Wiley&Sons, Inc., стр. 265

[Guerriero-1] Перейти обратно: ^а ^б Геррьеро, Винченцо (декабрь 2022 г.). «1923–2023: один век со дня формулировки принципа эффективного напряжения, теории консолидации и моделей взаимодействия жидкость-пористо-твердое тело» . Геотехника . 2 (4): 961–988. doi : 10.3390/geotechnics2040045 . ISSN 2673-7094 .

[2] Шофилд, Эндрю Ноэль; Рот, Питер (1968). Критическое состояние грунтов. Механика . МакГроу-Хилл. ISBN 9780641940484 .

[:0-3] Перейти обратно: ^а ^б Ламбе, Т. Уильям; Уитмен, Роберт В. (1969). Механика почвы . Уайли. ISBN 9780471511922 .

[4] Чан, Дерик Ю.К. (2016). Пучение фундаментной плиты в переуплотненной глине (диссертация магистра наук). Кембриджский университет.

[5] Томас, Р.; Доменек, К.; Мира, А.; Куэнка, А.; Дельгадо, Дж. (22 мая 2007 г.). «Напряжение перед консолидацией в районах Вега-Баха и Медиа реки Сегура (юго-восток Испании): причины и связь с изменениями пьезометрического уровня» . Инженерная геология . 91 (2): 135–151. дои : 10.1016/j.enggeo.2007.01.006 . ISSN 0013-7952 .

[6] Берланд, Дж. Б. (1 сентября 1990 г.). «О сжимаемости и прочности природных глин на сдвиг» . Геотехника . 40 (3): 329–378. дои : 10.1680/geot.1990.40.3.329 . ISSN 0016-8505 .

[7] Корнельский университет, 1950 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]