Давление предварительной консолидации

Максимальное напряжение, которое почва испытала в прошлом

Давление предварительной консолидации — это максимальное эффективное вертикальное напряжение от напора, которое конкретный образец грунта выдерживал в прошлом. ^[1] Эта величина важна в геотехнической инженерии , особенно для определения ожидаемой осадки фундаментов и насыпей. Альтернативные названия давления предварительной консолидации — напряжение предварительной консолидации , напряжение предварительного сжатия , напряжение предварительного уплотнения и напряжение предварительной нагрузки . ^[2] Грунт называется переуплотненным, если текущее эффективное напряжение, действующее на грунт, меньше исторического максимума.

Давление предварительной консолидации может помочь определить наибольшее давление насыпи, которое может быть оказано на почву без необратимого изменения объема. Этот тип изменения объема важен для понимания поведения усадки, образования трещин и структуры, а также сопротивления сдвиговым напряжениям. ^[3] Предыдущие напряжения и другие изменения в истории почвы сохраняются в структуре почвы. ^[4] Если почва нагружена сверх этой точки, почва не сможет выдержать возросшую нагрузку, и структура разрушится. ^[4] Это разрушение может вызвать ряд различных вещей в зависимости от типа почвы и ее геологической истории.

Давление предварительной консолидации нельзя измерить напрямую, но его можно оценить с помощью ряда различных стратегий. Образцы, взятые в полевых условиях, подвергаются различным испытаниям, таким как испытание с постоянной скоростью деформации (CRS) или испытание с возрастающей нагрузкой (IL). Эти испытания могут быть дорогостоящими из-за дорогого оборудования и длительного периода времени, который они требуют. Каждый образец должен быть нетронутым и может пройти только одно испытание с удовлетворительными результатами. ^[5] Важно проводить эти испытания точно, чтобы гарантировать получение точного результирующего графика. Существуют различные методы определения давления предварительной консолидации по лабораторным данным. Данные обычно располагаются на полулогарифмическом графике эффективного напряжения (часто представленного как σ' vc ) в зависимости от коэффициента пустотности . Этот график обычно называют кривой e log p или кривой консолидации .

Методы

Давление предварительной консолидации можно оценить несколькими способами, но не измерить напрямую. Полезно знать диапазон ожидаемых значений в зависимости от типа анализируемой почвы. Например, в образцах с естественной влажностью на пределе текучести (индекс текучести равен 1) предконсолидация варьируется от 0,1 до 0,8 tsf в зависимости от чувствительности почвы (определяемой как отношение ненарушенной пиковой прочности на сдвиг без дренажа к полностью восстановленной прочности на сдвиг без дренажа). ^[5] Для естественной влажности на пределе пластичности (индекс текучести равен нулю) предконсолидация варьируется от 12 до 25 tsf. ^[5]

Информацию о свойствах почвы, таких как индекс текучести и предел текучести, см. в ограничениях Аттерберга .

Графический метод Артура Касагранде

Кривая консолидации для насыщенной глины, показывающая процедуру определения давления предварительного уплотнения.

Использование кривой консолидации: ( Касагранде 1936) ^[6]

1. Наглядно выберите точку максимальной кривизны на кривой консолидации.
2. Из этой точки проведите горизонтальную линию.
3. Проведите касательную к кривой в точке, найденной в части 1.
4. Разделите пополам угол, образованный горизонтальной линией в части 2 и касательной линией в части 3.
5. Продлите «прямую часть» кривой первичного сжатия (высокое эффективное напряжение, низкий коэффициент пустотности: почти вертикально в правой части графика) до биссектрисы в части 4.

Точка пересечения линий в части 4 и части 5 представляет собой давление предварительной консолидации. ^[7]

Грегори и др. ^[8] предложили аналитический метод расчета напряжения предварительной консолидации, который позволяет избежать субъективных интерпретаций местоположения точки максимальной кривизны (т. е. минимального радиуса кривизны). Томас и др. ^[9] использовали этот метод для расчета давления предварительной консолидации 139 образцов ненарушенного грунта для создания карт давления предварительной консолидации Вега-Баха в Сегуре (Испания).

Оценка «наиболее вероятного» давления предварительной консолидации

Используя кривую консолидации, пересечь горизонтальную часть кривой рекомпрессии и линию, касательную к кривой компрессии. Эта точка находится в диапазоне вероятных давлений предварительной консолидации. ^[4] Ее можно использовать в расчетах, требующих меньшей точности или если требуется только грубая оценка.

Более сложную математическую модель, основанную на методе Касагранде, объединяющем принципы механики и гидравлики грунтов, см. в статье «Моделирование изменения объема и механических свойств с помощью гидравлических моделей» Американского общества почвоведов (ссылка в списке литературы).

Профилирование коэффициента переуплотнения в глинах с помощью полевого флюгера

Полевой крыльчатка (FV) традиционно используется для получения профилей недренированной прочности на сдвиг в мягких и средних глинах. После примерно 40 лет опыта с результатами FV было предложено применять эмпирические поправочные коэффициенты к данным FV для учета эффектов скорости деформации, анизотропии и возмущения на измеренных значениях прочности на сдвиг. ^[10] В качестве дополнительного использования устройства FV может быть откалиброван на каждом участке для разработки профилей коэффициента переуплотнения (OCR) с глубиной по , ^[11] где (PI, %) . ${\displaystyle OCR=a_{FV}[{\frac {c_{uv}}{\sigma _{\mathrm {v0} }^{/}}}]}$ ${\displaystyle a_{FV}=22(PI)^{-0,48}}$

Механизмы, вызывающие предконсолидацию

Различные факторы могут привести к тому, что грунт достигнет давления предварительного уплотнения:

• Изменение общего напряжения из-за удаления вскрышных пород может вызвать давление предварительной консолидации в грунте. Например, удаление конструкций или оледенение вызовет изменение общего напряжения, которое будет иметь такой эффект.
• Изменение давления воды в порах : изменение уровня грунтовых вод , артезианское давление, глубокая откачка или поток в туннели, а также высыхание из-за высыхания поверхности или жизни растений могут привести почву к давлению предварительного уплотнения. ^{[4] [12] [9]}
• Изменение структуры почвы из-за старения (вторичное сжатие ): со временем почва уплотнится даже после того, как высокое давление от нагрузки и давление поровой воды будут исчерпаны. ^{[4] [9]}
• Изменения окружающей среды: изменения pH, температуры и концентрации соли могут привести к тому, что грунт приблизится к давлению предварительного уплотнения. ^{[4] [9]}
• Химическое выветривание : Различные типы химического выветривания вызывают давление предварительной консолидации. Осадки, цементирующие агенты и ионный обмен — вот несколько примеров. ^{[4] [9]}

Использует

Давление предварительной консолидации используется во многих расчетах свойств грунта, необходимых для структурного анализа и механики грунта . Одним из основных применений является прогнозирование осадки конструкции после нагрузки. ^[1] Это требуется для любого строительного проекта, такого как новые здания, мосты, большие дороги и железнодорожные пути. Все они требуют оценки площадки перед строительством. Подготовка площадки для строительства требует первоначального сжатия почвы для подготовки к добавлению фундамента. Важно знать давление предварительной консолидации, поскольку это поможет определить величину нагрузки, которая подходит для площадки. Это также поможет определить, может ли рекомпрессия (после выемки грунта), если условия позволяют, почва может демонстрировать объемное расширение, рекомпрессию из-за удаления нагрузки ^[5] необходимо учитывать условия.

Смотрите также

• Геотехническая инженерия
• Уплотнение (геология)
• Уплотнение почвы
• Осадконакопление (почвы)
• Механика грунтов

Примечания

Ссылки

1. Solanki, CH; Desai, MD (2008). "Preconsolidation Pressure from Soil Index and Plasticity Properties". 12-я Международная конференция Международной ассоциации по компьютерным методам и достижениям в геомеханике.–Гоа, Индия.–2008 . CiteSeerX  10.1.1.383.7352 .
2. Давидовски, Дж. Б.; Кулен, А. Дж. (1994). «Компьютерное определение напряжения предварительной консолидации при испытании на уплотнение полевых образцов керна». Исследования почв и обработки почвы . 31 (2): 277–282. doi :10.1016/0167-1987(94)90086-8.
3. Баумгартл, Т. и Б. Кёк. «Моделирование изменения объема и механических свойств с помощью гидравлических моделей».
4. Хольц, Роберт Д. Ковач, Уильям Д. «Введение в геотехническую инженерию».
5. UFC. «Механика грунтов». Руководство по ремонту и обслуживанию.
6. Касагранде, Артур (1936). «Определение нагрузки предварительной консолидации и ее практическое значение». Труды международной конференции по механике грунтов и фундаментостроению . Том 3. Гарвардский университет, Кембридж. С. 60–64.
7. Месри, Г. Пек, Р. Б. Терцаги , К. «Механика грунтов в инженерной практике». John Wiley & Sons, Inc. (1996). Нью-Йорк. (стр. 195).
8. Gregory, AS; Whalley, WR; Watts, CW; Bird, NRA; Hallett, PD; Whitmore, AP (2006-08-01). «Расчет индекса сжатия и напряжения предварительного сжатия по данным испытаний на сжатие почвы». Soil and Tillage Research . 89 (1): 45–57. doi :10.1016/j.still.2005.06.012.
9. 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 (2–4): 135–151. doi :10.1016/j.enggeo.2007.01.006.
10. Пол В. МейнДжеймс К. Митчелл (1987). «Авторство Web 2.0: Профилирование коэффициента переуплотнения в глинах с помощью полевого флюгера». Канадский геотехнический журнал . 25 (1): 150–157. doi :10.1139/t88-015.
11. в кН/м2 ${\displaystyle {c_{uv}},{\sigma _{\mathrm {v0} }^{/}}}$
12. 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 (2–4): 135–151. doi :10.1016/j.enggeo.2007.01.006.