Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( март 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это шаблонное сообщение ) |
Эта статья может быть слишком технической, чтобы ее могло понять большинство читателей . Март 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) ( |
Уплотнение почвы относится к механическому процессу, при котором 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 воды в порах . Поскольку вода диффундирует из областей высокого давления из-за просачивания, матрица почвы постепенно принимает изменение давления и сжимается в объеме. Таким образом, теоретическая основа консолидации тесно связана с уравнением диффузии , концепцией эффективного напряжения и гидравлической проводимости .
В узком смысле «уплотнение» относится 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 , проседания и вспучивания грунта . Некоторые типы почв, в основном богатые органическими веществами , демонстрируют значительную ползучесть., в результате чего почва медленно меняет объем при постоянном эффективном напряжении в течение более длительного периода 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 располагается над слоем почвы с низкой жесткостью и низкой проницаемостью, например, морской глиной , что приводит к большим осадкам в течение многих лет. Виды строительного проекта , где консолидация часто создает технические риски включают мелиорацию , строительство набережных , и туннель и подвал раскопки в глине.
Инженеры-геотехники используют одометры 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 ( ).
История и терминология [ править ]
По словам «отца механики грунтов » Карла фон Терзаги , уплотнение - это «любой процесс, который включает уменьшение содержания воды в насыщенной почве без замены воды воздухом». В более общем смысле, уплотнение относится к процессу изменения объема грунта в ответ на изменение давления , охватывающего как уплотнение, так и набухание. [1]
Величина изменения громкости [ править ]
Консолидация - это процесс, при котором уменьшение объема происходит за счет постепенного вытеснения или поглощения воды при длительных статических нагрузках. [2]
Когда к почве прикладывается напряжение, частицы почвы собираются 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 проверяются с помощью одометра 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 эффективного напряжения) известна как индекс сжатия, учитывая символ при вычислении в натуральном логарифме ипри вычислении по десятичному логарифму. [2] [3]
Это можно выразить в следующем уравнении, которое используется для оценки изменения объема почвенного слоя:
где
- δ c - оседание за счет консолидации.
- C c - индекс сжатия.
- e 0 - начальный коэффициент пустотности .
- H - высота сжимаемого грунта.
- σ zf - окончательное вертикальное напряжение.
- σ z0 - начальное вертикальное напряжение.
Когда с уплотненного грунта снимается напряжение, грунт отскакивает, восстанавливая часть объема, потерянного в процессе уплотнения. Если напряжение будет приложено повторно, почва снова будет уплотняться по кривой повторного сжатия, определяемой индексом повторного сжатия. Градиент линий набухания и повторного сжатия на графике соотношения пустот по отношению к логарифму эффективного напряжения часто идеализируется, чтобы принять одно и то же значение, известное как «индекс набухания» (обозначается символом при вычислении в натуральном логарифме и при вычислении по основанию - 10 логарифм).
C c может быть заменен на C r (индекс повторного сжатия) для использования в переуплотненных грунтах, где конечное эффективное напряжение меньше, чем напряжение предварительного 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 пустотности 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 может быть определено следующим образом:
Почва, с которой была снята нагрузка, считается «переуплотненной». Так обстоит дело с почвами, на которых раньше были ледники . Наивысшее напряжение, которому он подвергается, называется « напряжением перед уплотнением ». «Коэффициент чрезмерной консолидации» (OCR) определяется как максимальное испытанное напряжение, деленное на текущее напряжение. Почва, которая в настоящее время испытывает наибольшее напряжение, считается «нормально консолидированной» и имеет показатель OCR, равный единице. Почву можно считать «недоконсолидированной» или «рыхлой» сразу после приложения новой нагрузки, но до возникновения избыточного порового давления воды.рассеялся. 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». [4]
Зависимость от времени [ править ]
Аналогия с весной [ править ]
Процесс уплотнения часто объясняют идеализированной системой, состоящей из пружины , контейнера с отверстием в крышке и воды. В этой системе источник представляет сжимаемость или структуру самой почвы, а вода, которая заполняет контейнер, представляет собой поровую воду в почве.
- Емкость полностью заполняется водой, а отверстие закрывается. (Полностью насыщенная почва)
- На крышку прикладывают нагрузку, пока отверстие еще не раскрыто. 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. (Отвод избыточного давления поровой воды)
- По прошествии некоторого времени слив воды больше не происходит. Теперь только пружина противостоит приложенной нагрузке. (Полное рассеяние избыточного давления поровой воды. Конец консолидации)
Аналитическая формулировка коэффициента консолидации [ править ]
Время, когда произойдет консолидация, можно предсказать. Иногда консолидация может занять годы. Это особенно верно для насыщенных глин, потому что их гидравлическая проводимость чрезвычайно низкая, и это приводит к тому, что воде требуется очень много времени, чтобы стекать из почвы. Во время дренажа давление воды в порах больше обычного, потому что она несет часть приложенного напряжения (в отличие от частиц почвы).
Где T v - временной фактор.
H dr - средний самый длинный путь слива во время консолидации.
t - время измерения
C v определяется как коэффициент консолидации, найденный с использованием метода каротажа с
или корневой метод с
t 50 время до 50% деформации (консолидации) и t 95 составляет 95%
Где T 95 = 1,129 T 50 = 0,197
Creep [ править ]
Приведенная выше теоретическая формулировка предполагает, что зависящее от времени изменение объема грунтовой единицы зависит только от изменений эффективного напряжения из-за постепенного восстановления установившегося давления поровой воды. Это относится к большинству типов песка и глины с низким содержанием органических веществ. Однако в почвах с большим количеством органических материалов, таких как торф , также возникает 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 спадает со временем с момента приложения нагрузки, что дает формулу:
Где H 0 - высота уплотняющей среды;
e 0 - начальная пустотность;
C a - показатель вторичного сжатия;
t - период времени после рассматриваемого уплотнения;
t 95 - промежуток времени для достижения 95% уплотнения
См. Также [ править ]
- Уплотнение (геология)
- Механика грунта
- Вакуумное уплотнение
- Расчетный (структурный)
Ссылки [ править ]
- ^ Шофилд, Эндрю Ноэль; Гнев, Питер (1968). Механика критических состояний грунтов . Макгроу-Хилл. ISBN 9780641940484.
- ^ а б Ламбе, Т. Уильям; Уитмен, Роберт В. (1969). Механика грунтов . Вайли.
- ^ Chan, Дерик YK (2016). Пучок основания плиты из переуплотненной глины (тезис MRes). Кембриджский университет.
- ^ Берланд, JB (1990-09-01). «О сжимаемости и прочности на сдвиг природных глин» . Геотехника . 40 (3): 329–378. DOI : 10,1680 / geot.1990.40.3.329 . ISSN 0016-8505 .
Библиография [ править ]
- Кодуто, Дональд (2001), Foundation Design , Prentice-Hall, ISBN 0-13-589706-8
- Ким, Мёнмо (2000), Механика грунта (на корейском языке) (4-е изд.), Сеул : Munundang, ISBN 89-7393-053-2
- Терзаги, Карл (1943), Теоретическая механика грунта , John Wiley & Sons, Inc., стр. 265