Уплотнение почвы

редактировать

Два одометра на Кембриджский университет

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 ( $C v {\ displaystyle C_ {v}}$ $C _ {{v}}$ ) и гидравлической проводимости ( $K {\ displaystyle K}$ $K$ ).

Содержание

1 История и терминология
2 Величина изменения объема
3 Временная зависимость
- 3.1 Аналогия с пружиной
- 3.2 Аналитическая формулировка скорости консолидации
4 Ползучесть
5 См. также
6 Ссылки
7 Библиография

История и терминология

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.

Величина изменения объема

Экспериментально определенная кривая консолидации (синие точки) для насыщенной глины, показывающая процедуру для расчета напряжения предварительного консолидации.

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 $λ {\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ при вычислении в натуральном логарифме и $CC {\ displaystyle C_ {C}}$ ${\ displaystyle C_ {C}}$ при вычислении в логарифме с основанием 10.

Это можно выразить в следующем уравнении, которое используется для оценки изменения объема слой почвы:

$δ c = C c 1 + e 0 H log ⁡ (σ zf ′ σ z 0 ′) {\ displaystyle \ delta _ {c} = {\ frac {C_ {c}} {1+ e_ {0}}} H \ log \ left ({\ frac {\ sigma _ {zf} '} {\ sigma _ {z0}'}} \ right) \}$ $\delta _{c}={\frac {C_{c}}{1+e_{0}}}H\log \left({\frac {\sigma _{{zf}}'}{\sigma _{{z0}}'}}\right)\$

где

δc- подлежащее погашению до уплотнения.

Cc- индекс сжатия.

e0- начальный коэффициент пустотности.

H - высота сжимаемого грунта.

σzf- окончательное вертикальное напряжение.

σz0- начальное вертикальное стресс.

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 $κ {\ displaystyle \ kappa}$ $\ kappa$ при вычислении в натуральном логарифме и $CS {\ displaystyle C_ {S}}$ $C_ {S}$ 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:

$δ c = C r 1 + e 0 ЧАС журнал ⁡ (σ zc ′ σ z 0 ′) + C c 1 + e 0 H журнал ⁡ (σ zf ′ σ zc ′) {\ displaystyle \ delta _ {c} = {\ frac {C_ {r}} {1 + e_ {0}}} H \ log \ left ({\ frac {\ sigma _ {zc} '} {\ sigma _ {z0}'}} \ right) + {\ frac {C_ {c}} {1 + e_ {0}}} H \ log \ left ({\ frac {\ sigma _ {zf} '} {\ sigma _ {zc}'}} \ right) \}$ $\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 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».

Временная зависимость

Аналогия с пружиной

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 пружиной

Емкость полностью заполнена водой, а отверстие закрыто. (Полностью насыщенная почва)
На крышку прикладывают нагрузку, пока отверстие не открывается. На этом этапе приложенной нагрузке сопротивляется только вода. (Развитие избыточного давления поровой воды)
Как только отверстие открывается, вода начинает стекать через отверстие, и пружина укорачивается. (Дренаж избыточного давления поровой воды)
Через некоторое время дренаж воды больше не происходит. Теперь только пружина выдерживает приложенную нагрузку. (Полное рассеяние избыточного давления поровой воды. Конец консолидации)

Аналитическая формулировка скорости консолидации

Время, 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).

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

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

$C v = T 50 H dr 2 t 50 {\ displaystyle C_ {v} = { \ frac {T_ {50} H_ {dr} ^ {2}} {t_ {50}}}}$ ${\ displaystyle C_ {v} = {\ frac {T_ {50} H_ {dr} ^ { 2}} {t_ {50}}}}$

или корневой метод с

$C v = T 95 H dr 2 t 95 {\ displaystyle C_ { v} = {\ frac {T_ {95} H_ {dr} ^ {2}} {t_ {95}}}}$ ${\ displaystyle C_ {v} = {\ frac {T_ {95} H_ {dr} ^ {2}} {t_ {95}}}}$

t50время до 50% деформации (консолидации) и t 95 равно 95 %

Где T 95 = 1,129 T 50 = 0,197

Ползучесть

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:

$S s = H 0 1 + e 0 C a log ⁡ (tt 95) {\ displaystyle S_ {s} = {\ frac {H_ {0}} {1 + e_ {0}}} C_ {a} \ log \ left ({\ frac {t} {t_ {95}}} \ right) \ }$ ${\ displaystyle S_ {s} = {\ frac {H_ {0}} {1 + e_ {0}}} C_ {a} \ log \ left ({\ frac {t} {t_ {95}}} \ right) \}$

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

См. также

Литература

Библиография

Coduto, Donald (2001), Foundation Design, Prentice-Hall, ISBN 0-13-589706-8
Kim, Myung-mo (2000), Soil Mechanics (на корейском языке) (4-е изд.), Сеул : Munundang, ISBN 89-7393-053-2
Терзаги, Карл (1943), Теоретический механика почвы, John Wiley Sons, Inc., стр. 265