Уплотнение почвы

Процесс, при котором почвы уменьшаются в объеме

Два одометра в Кембриджском университете

Консолидация почвы относится к механическому процессу, посредством которого почва постепенно изменяет объем в ответ на изменение давления . Это происходит, потому что почва представляет собой трехфазный материал, состоящий из зерен почвы и поровой жидкости, обычно грунтовых вод . Когда почва, насыщенная водой , подвергается повышению давления, высокая объемная жесткость воды по сравнению с почвенной матрицей означает, что вода изначально поглощает все изменение давления, не изменяя объема, создавая избыточное давление поровой воды . Поскольку вода диффундирует из областей высокого давления из-за просачивания , почвенная матрица постепенно принимает изменение давления и сжимается в объеме. Теоретическая основа консолидации, таким образом, тесно связана с концепцией эффективного напряжения и гидравлической проводимости . Ранние теоретические современные модели были предложены столетие назад, в соответствии с двумя различными подходами, Карлом Терцаги и Полом Филлунгером . Модель Терцаги в настоящее время является наиболее используемой в инженерной практике и основана на уравнении диффузии . ^[1]

В узком смысле «консолидация» относится строго к этой отсроченной объемной реакции на изменение давления из-за постепенного движения воды. Некоторые публикации также используют «консолидацию» в широком смысле, для обозначения любого процесса, посредством которого почва изменяет объем из-за изменения приложенного давления. Это более широкое определение охватывает общую концепцию уплотнения почвы , проседания и вспучивания. Некоторые типы почвы, в основном те, которые богаты органическим веществом , демонстрируют значительную ползучесть , при которой почва медленно изменяет 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 из-за рассеивания избыточного давления воды, тогда как «вторичная консолидация» относится к процессу ползучести.

Эффекты консолидации наиболее заметны, когда здание стоит на слое почвы с низкой жесткостью и низкой проницаемостью, например, морской глине , что приводит к большой осадке в течение многих лет. Типы строительных проектов, где консолидация часто представляет технический риск, включают рекультивацию земель , строительство насыпей , а также выемку грунта в туннелях и подвалах в глине.

Инженеры-геотехники используют одометры для количественной оценки эффектов консолидации. В ходе одометрического испытания 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 ( ) и гидравлической проводимости ( ). ${\displaystyle C_{v}}$ ${\displaystyle K}$

Глины подвергаются консолидационной осадке не только под действием внешних нагрузок (пригрузов), но и под действием собственного веса или веса грунтов, находящихся над глиной.

Глины также подвергаются усадке при обезвоживании (откачке грунтовых вод), поскольку увеличивается эффективное напряжение в глине.

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

История и терминология

Первые современные теоретические модели для консолидации грунта были предложены в 1920-х годах Терцаги и Филлунгером , в соответствии с двумя существенно различными подходами. ^[1] Первая была основана на уравнениях диффузии в эйлеровой нотации , тогда как вторая рассматривала 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 вовлечены посредством теории смесей . Терцаги имел инженерный подход к проблеме консолидации грунта и предоставил упрощенные модели, которые до сих пор широко используются в инженерной практике, тогда как, с другой стороны, Филлунгер имел строгий подход к вышеуказанным проблемам и предоставил строгие математические модели, которые уделяли особое внимание методам локального усреднения вовлеченных переменных. Модель Филлунгера была очень абстрактной и включала переменные, которые было трудно обнаружить экспериментально, и, следовательно, она не была применима для изучения реальных случаев инженерами и/или проектировщиками. Тем не менее, это дало основу для передовых теоретических исследований особенно сложных проблем. Из-за разного подхода к проблеме консолидации двумя учеными между ними возник ожесточенный научный спор, который, к сожалению, привел к трагическому финалу в 1937 году. После самоубийства Филунгера его теоретические результаты были забыты на десятилетия, тогда как методы, предложенные Терцаги, нашли широкое распространение среди ученых и специалистов. В последующие десятилетия Био полностью разработал теорию трехмерной консолидации грунта, расширив одномерную модель, ранее предложенную Терцаги, до более общих гипотез и введя набор основных уравнений пороупругости . Сегодня одномерная модель Терцаги по-прежнему наиболее часто используется инженерами из-за ее концептуальной простоты и потому, что она основана на экспериментальных данных, таких как одометрические испытания , которые относительно просты, надежны и недороги и для которых хорошо известны теоретические решения в замкнутой форме. По словам «отца механики грунтов » Карла фон Терцаги , консолидация — это «любой процесс, который включает в себя уменьшение содержания воды в насыщенном грунте без замены воды воздухом». В более общем смысле консолидация относится к процессу, посредством которого грунты изменяют объем в ответ на изменение давления , охватывая как уплотнение, так и набухание. ^[2]

Величина изменения объема

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

Построение кривой сжатия и рекомпрессии. Кривая, обычно называемая кривой первичного сжатия, приблизительно пересекает лабораторную кривую при коэффициенте пустотности 0,42 (Terzaghi и Peck, 1967). Обратите внимание, что — коэффициент пустотности глины в полевых условиях. Зная значения и , вы можете легко построить кривую первичного сжатия и рассчитать ее индекс сжатия с помощью уравнения . ${\displaystyle e_{0}}$ ${\displaystyle e_{0}}$ ${\displaystyle e_{0}}$ ${\displaystyle \sigma _{c}^{'}}$ ${\displaystyle C_{C}={\frac {e_{1}-e_{2}}{log({\frac {\sigma _{2}^{'}}{\sigma _{1}^{'}}})}}}$

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

Когда к почве прикладывается напряжение , оно заставляет частицы почвы упаковываться более плотно. Когда это происходит в почве, насыщенной водой, вода будет выдавливаться из почвы. Величину консолидации можно предсказать многими различными методами. В классическом методе, разработанном Терцаги, почвы испытываются с помощью одометрического теста 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 пустотности на порядок величины изменения эффективного напряжения) известна как индекс сжатия, которому присваивается символ при расчете в натуральном логарифме и при расчете в десятичном логарифме. ^{[3] [4]} ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle C_{C}}$

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

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

где

δ _c — осадка вследствие консолидации.

C _c — индекс сжатия.

e ₀ — начальный коэффициент пустотности .

H — высота сжимаемого грунта.

σ _zf — конечное вертикальное напряжение.

σ _z0 — начальное вертикальное напряжение.

Когда напряжение снимается с консолидированной почвы, почва восстановится, восстановив часть объема, который она потеряла в процессе консолидации. Если напряжение приложено повторно, почва снова консолидируется по кривой рекомпрессии, определяемой индексом рекомпрессии. Градиент линий набухания и рекомпрессии на графике коэффициента пустотности против логарифма эффективного напряжения часто идеализируется, чтобы принимать одно и то же значение, известное как «индекс набухания» (с учетом символа при расчете в натуральном логарифме и при расчете в логарифме с основанием 10). ${\displaystyle \kappa }$ ${\displaystyle C_{S}}$

C _c можно заменить на C _r (индекс рекомпрессии) для использования в переуплотненных грунтах, где конечное эффективное напряжение меньше напряжения предварительной консолидации. Когда конечное эффективное напряжение больше напряжения предварительной консолидации, два уравнения должны использоваться в сочетании для моделирования как части рекомпрессии, так и части первичного сжатия процессов консолидации, как указано ниже,

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

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 пустотности от эффективного напряжения , где ось эффективного напряжения находится в логарифмическом масштабе . Наклон графика представляет собой индекс сжатия или индекс рекомпрессии. Уравнение для осадки консолидации нормально консолидированного грунта затем может быть определено как:

Почва, с которой была снята нагрузка, считается «переуплотненной». Это касается почв, на которых ранее находились ледники или которые подверглись проседанию земли . ^[5] Наибольшее напряжение, которому она подвергалась, называется « напряжением предварительной консолидации ». «Коэффициент переуплотнения» (OCR) определяется как наибольшее испытанное напряжение, деленное на текущее напряжение. Почва, которая в настоящее время испытывает наибольшее напряжение, называется «нормально уплотненной» и имеет OCR, равный единице. Почва может считаться «недоуплотненной» или «неуплотненной» сразу после приложения новой нагрузки, но до того, как рассеется избыточное давление поровой воды . Иногда слои почвы, образованные естественным осаждением в реках и морях, могут существовать в исключительно низкой плотности, которую невозможно достичь в одометре; этот процесс известен как «внутренняя консолидация». ^[6]

Зависимость от времени

Аналогия с пружиной

Процесс консолидации часто объясняется с помощью идеализированной системы, состоящей из пружины , контейнера с отверстием в крышке и воды. В этой системе пружина представляет сжимаемость или структуру самой почвы, а вода, заполняющая контейнер, представляет поровую воду в почве.

Принципиальная схема пружинной аналогии

1. Емкость полностью заполнена водой, а отверстие закрыто. (Полностью пропитанная почва)
2. На крышку прикладывается нагрузка, пока отверстие еще не открыто. На этом этапе только вода сопротивляется приложенной нагрузке. (Развитие избыточного давления поровой воды)
3. Как только отверстие открывается, вода начинает вытекать через отверстие, и родник укорачивается. (Дренаж избыточного давления поровой воды)
4. Через некоторое время дренаж воды больше не происходит. Теперь пружина одна сопротивляется приложенной нагрузке. (Полное рассеивание избыточного давления поровой воды. Окончание консолидации)

Аналитическая формулировка коэффициента консолидации

Время, необходимое для консолидации, можно предсказать. Иногда консолидация может занять годы. Это особенно актуально для насыщенных глин, поскольку их гидравлическая проводимость чрезвычайно низкая, и это приводит к тому, что воде требуется исключительно много времени для отвода из почвы. Пока происходит дренаж, давление поровой воды больше обычного, поскольку она несет часть приложенного напряжения (в отличие от частиц почвы).

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

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

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

или корневой метод с

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

t ₅₀ время до 50% деформации (консолидации) и t ₉₅ составляет 95%

Где Т ₉₅ =1,129 Т ₅₀ =0,197

Слизняк

Теоретическая формулировка выше предполагает, что зависящее от времени изменение объема единицы почвы зависит только от изменений эффективного напряжения из-за постепенного восстановления устойчивого давления поровой воды. Это касается большинства типов песка и глины с низким содержанием органического материала. Однако в почвах с высоким содержанием органического материала, таких как торф , также происходит явление ползучести , при котором почва постепенно изменяет объем при постоянном эффективном напряжении. Ползучесть почвы обычно вызывается 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 почвы в ответ на приложение нагрузки; обозначение «вторичный» отличает его от «первичной консолидации», которая относится к изменению объема из-за 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 почвы происходит с низкой скоростью.

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

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

Где H ₀ — высота консолидирующей среды,
e ₀ — начальный коэффициент пустотности,
C _a — индекс вторичного сжатия,
t — рассматриваемая продолжительность времени после консолидации,
t ₉₅ — продолжительность времени для достижения 95% консолидации.

Деформационные характеристики консолидации

Коэффициент сжимаемости . Сжимаемость насыщенных образцов глинистых минералов увеличивается в ряду каолинит <иллит<смектит. Индекс сжимаемости Cc, который определяется как изменение коэффициента пустотности при 10-кратном увеличении давления консолидации, находится в диапазоне 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 форм. ^[7] Чем более сжимаема глина, тем более выражено влияние типа катиона и концентрации электролита на сжимаемость. ${\displaystyle a_{v}={\frac {\Delta e}{\Delta \sigma _{'}}}}$

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

Смотрите также

• Уплотнение (геология)
• Расчет (структурный)
• Механика грунта
• Вакуумная консолидация

Ссылки

1. Guerriero, Vincenzo (декабрь 2022 г.). «1923–2023: столетие с момента формулирования принципа эффективного напряжения, теории консолидации и моделей взаимодействия жидкости, пористого тела и твердого тела». Geotechnics . 2 (4): 961–988. doi : 10.3390/geotechnics2040045 . ISSN  2673-7094.
2. Шофилд, Эндрю Ноэль; Рот, Питер (1968). Критическое состояние механики грунтов. McGraw-Hill. ISBN 9780641940484.
3. Lambe, T. William; Whitman, Robert V. (1969). Механика грунтов. Wiley. ISBN 9780471511922.
4. Чан, Дерик Ю.К. (2016). Поднятие фундаментной плиты в переуплотненной глине (диссертация MRes). Кембриджский университет.
5. Томас, Р.; Доменек, К.; Мира, А.; Куэнка, А.; Дельгадо, Х. (2007-05-22). «Предконсолидационные напряжения в районах Вега-Баха и Медия реки Сегура (юго-восточная Испания): причины и связь с изменениями пьезометрического уровня». Инженерная геология . 91 (2): 135–151. doi :10.1016/j.enggeo.2007.01.006. ISSN  0013-7952.
6. Берланд, Дж. Б. (1990-09-01). «О сжимаемости и прочности на сдвиг природных глин». Géotechnique . 40 (3): 329–378. doi :10.1680/geot.1990.40.3.329. ISSN  0016-8505.
7. Корнелльский университет, 1950 г.

Библиография

• Кодуто, Дональд (2001), Проектирование фундамента , Prentice-Hall, ISBN 0-13-589706-8
• Ким, Мён-мо (2000), Механика грунтов (на корейском языке) (4-е изд.), Сеул : Munundang, ISBN 89-7393-053-2
• Терцаги, Карл (1943), Теоретическая механика грунтов , John Wiley&Sons, Inc., стр. 265