Уплотнение почвы относится к механическому процессу, с помощью которого почва постепенно меняет объем в ответ на изменение давления. Это происходит потому, что почва представляет собой двухфазный материал, состоящий из зерен почвы 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 первоначально 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 принимает на себя изменение давления и сжимается в объеме. Таким образом, теоретическая основа уплотнения тесно связана с уравнением диффузии, концепцией эффективного напряжения и гидравлической проводимостью.
. В узком смысле слова «уплотнение» означает строго к этой отсроченной объемной реакции на изменение давления из-за постепенного движения воды. В некоторых публикациях также используется термин «уплотнение» в широком смысле для обозначения любого процесса, при котором грунт изменяет объем из-за изменения приложенного давления. Это более широкое определение охватывает общую концепцию уплотнения почвы, проседания и. Некоторые типы почвы, в основном богатые органическим веществом, демонстрируют значительную ползучесть, в результате чего почва медленно меняет объем при постоянном эффективном напряжении в течение более длительного времени, чем уплотнение из-за диффузии. воды. Чтобы различать эти два механизма, «первичное уплотнение» означает уплотнение из-за рассеивания избыточного давления воды, а «вторичное уплотнение» относится к процессу ползучести.
Эффекты консолидации наиболее заметны, когда здание расположено над слоем почвы с низкой жесткостью и низкой проницаемостью, например морской глиной, что привело к большому поселению за многие годы. Типы строительных проектов, в которых консолидация часто представляет технический риск, включают рекультивацию земель, строительство насыпей и туннелей и подвал выемка глины..
Инженеры-геотехники используют эдометры для количественной оценки эффектов консолидации. При испытании на эдометре к тонкому диску образца грунта прикладывают серию известных давлений и регистрируют изменение толщины образца со временем. Это позволяет количественно оценить характеристики уплотнения почвы с помощью коэффициента уплотнения () и гидравлической проводимости ().
Согласно «отцу механики грунтов », Карлу фон Терзаги, консолидация «любой процесс, который включает уменьшение влажности насыщенной почвы без замены воды воздухом». В более общем смысле, уплотнение относится к процессу, при котором грунт изменяет объем в ответ на изменение давления, охватывая как уплотнение, так и набухание.
Консолидация - это процесс, в котором уменьшение объема происходит за счет постепенного вытеснения или поглощения воды в течение длительного времени. статические нагрузки.
Когда напряжение прикладывается к грунту, частицы грунта слипаются вместе 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 эдометрического теста для определения их сжимаемости. В большинстве теоретических формулировок предполагается логарифмическое соотношение между объемом образца почвы и эффективным напряжением, переносимым частицами почвы. Константа пропорциональности (изменение коэффициента пустотности на порядок изменения действующего напряжения) известна как индекс сжатия с учетом символа при вычислении в натуральном логарифме и при вычислении в логарифме с основанием 10.
Это можно выразить в следующем уравнении, которое используется для оценки изменения объема слой почвы:
где
Когда напряжение снимается с уплотненного грунта, грунт отскакивает, восстанавливая часть объема, который он потерял в процессе уплотнения. Если напряжение будет приложено повторно, грунт снова уплотняется по кривой повторного сжатия, определяемой индексом повторного сжатия. Градиент линий набухания и повторного сжатия на графике отношения пустот по отношению к логарифму эффективного напряжения часто идеализируется для получения одного и того же значения, известного как «индекс набухания» (с обозначением при вычислении в натуральном логарифме и при вычислении в десятичном логарифме).
Ccможно заменить на C r (индекс повторного сжатия) для использования в переуплотненных грунтах, где конечное эффективное напряжение меньше, чем напряжение до уплотнения. Когда конечное эффективное напряжение больше, чем напряжение до уплотнения, эти два уравнения должны использоваться в комбинации для моделирования как участка повторного сжатия, так и участка первичного сжатия процессов консолидации, как показано ниже:
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 логарифмической шкале. Наклон графика - это индекс сжатия или индекс повторного сжатия. Уравнение оседания уплотнения нормально уплотненного грунта затем может быть определено следующим образом:
Грунт, с которого была снята нагрузка, считается «переуплотненным». Так обстоит дело с почвами, на которых раньше были ледники. Наивысшее напряжение, которому он был подвергнут, называется «напряжение предварительного уплотнения ». «Коэффициент чрезмерной консолидации» (OCR) определяется как максимальное испытанное напряжение, деленное на текущее напряжение. Почва, которая в настоящее время испытывает наибольшую нагрузку, считается «нормально консолидированной» и имеет показатель OCR, равный единице. Грунт может считаться «недоконсолидированным» или «неконсолидированным» сразу после приложения новой нагрузки, но до того, как избыточное давление поровой воды исчезнет. Иногда слои почвы, образующиеся в результате естественного осаждения в реках и морях, могут существовать с исключительно низкой плотностью, которую невозможно достичь с помощью эдометра; этот процесс известен как «внутренняя консолидация».
Процесс консолидации часто объясняется с помощью идеализированной системы, состоящей из пружины , емкость с отверстием в крышке и вода. В этой системе источник представляет сжимаемость или структуру самой почвы, а вода, заполняющая контейнер, представляет собой поровую воду в почве.
Принципиальная схема аналогии с пружинойВремя, в течение которого должно произойти затвердевание, можно предсказать. Иногда консолидация может занять годы. Это особенно верно для насыщенных глин, потому что их гидравлическая проводимость чрезвычайно низка, и это приводит к тому, что воде требуется исключительно много времени, чтобы стекать из почвы. Во время дренажа давление воды в порах больше, чем обычно, потому что оно несет часть приложенного напряжения (в отличие от частиц почвы).
Где T v - временной фактор.
Hdr- средний самый длинный путь слива во время консолидации.
t - время измерения.
Cvопределяется как коэффициент консолидации, найденный с использованием метода логарифма с
или корневой метод с
t50время до 50% деформации (консолидации) и t 95 равно 95 %
Где T 95 = 1,129 T 50 = 0,197
Теоретическая формулировка выше предполагает, что зависит от времени изменение объема почвенной единицы зависит только от изменений действующего 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 происходит явление ползучести, в результате чего почва постепенно меняет объем при постоянном эффективном напряжении. Ползучесть почвы обычно вызывается вязким поведением системы глина-вода и сжатием органического вещества.
Этот процесс ползучести иногда называют «вторичным уплотнением» или «вторичным сжатием», потому что он также включает постепенное изменение объема грунта в ответ на приложение нагрузки; Обозначение «вторичный» отличает его от «первичного уплотнения», которое относится к изменению объема из-за рассеивания избыточного давления поровой воды. Ползучесть обычно имеет место в течение более длительного периода времени, чем (первичное) уплотнение, так что даже после восстановления гидростатического давления некоторое сжатие грунта происходит с медленной скоростью.
Аналитически предполагается, что скорость ползучести экспоненциально уменьшается со временем с момента приложения нагрузки, что дает формулу:
Где H 0 - высота консолидирующей среды. e0- начальная пустотность. Ca- вторичный индекс сжатия. t - промежуток времени после рассматриваемого консолидации. t95- время достижения 95% -ного уплотнения