Уплотнение почвы

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Консолидация почвы»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( март 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это шаблонное сообщение )

Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . Пожалуйста, помогите улучшить его, чтобы он был понятен неспециалистам , не удаляя технических деталей. ( Март 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Два одометра в Кембриджском университете

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. Теоретическая основа консолидации поэтому тесно связана с уравнением диффузии , концепцией эффективного напряжения и гидравлической проводимости .

В узком смысле «уплотнение» относится строго к этой отложенной 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 почвы . Некоторые типы почв, в основном богатые органическими веществами , демонстрируют значительную ползучесть., в результате чего грунт 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 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 последствий консолидации. При испытании на эдометре к тонкому диску образца грунта прикладывается серия известных давлений, и регистрируется изменение толщины образца со временем. Это позволяет количественно определить характеристики уплотнения грунта с помощью коэффициента уплотнения ( ) и гидравлической проводимости ( ).${\ displaystyle C_ {v}}$${\ displaystyle K}$

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, консолидация относится к процессу изменения объема грунта в ответ на изменение давления , включая уплотнение и набухание. ^[1]

Величина изменения громкости [ править ]

Консолидация - это процесс, в 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 и${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle C_ {C}}$при вычислении по десятичному логарифму. ^{[2] [3]}

Это можно выразить в следующем уравнении, которое используется для оценки изменения объема почвенного слоя:

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

куда

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, грунт снова уплотняется по кривой повторного сжатия, определяемой индексом повторного сжатия. Градиент линий набухания и повторного сжатия на графике отношения пустот по 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).${\ displaystyle \ kappa}$${\ displaystyle C_ {S}}$

C _c может быть заменен 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 предварительного уплотнения, эти два уравнения должны использоваться в комбинации для моделирования как участка повторного сжатия, так и участка первичного сжатия процессов консолидации, как показано 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 логарифмической шкале . Наклон графика - это индекс сжатия или индекс повторного сжатия. Затем можно определить уравнение оседания уплотнения нормально уплотненного грунта:

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 консолидацией ». «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. Почву можно считать «недоконсолидированной» или «рыхлой» сразу после приложения новой нагрузки, но до появления 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 идеальной системой, состоящей из пружины , контейнера с отверстием в крышке и воды. В этой системе источник представляет сжимаемость или структуру самой почвы, а вода, заполняющая контейнер, представляет собой поровую воду в почве.

1. Емкость полностью заполняется водой, а отверстие закрывается. (Полностью насыщенная почва)
2. На крышку прикладывают нагрузку, пока отверстие еще не раскрыто. На этом этапе приложенной нагрузке сопротивляется только вода. (Развитие избыточного давления поровой воды)
3. Как только отверстие открывается, вода начинает стекать через отверстие, и пружина укорачивается. (Отвод избыточного давления поровой воды)
4. По прошествии некоторого времени слив воды больше не происходит. Теперь только пружина сопротивляется приложенной нагрузке. (Полное рассеяние избыточного давления поровой воды. Окончание уплотнения)

Аналитическая формулировка коэффициента консолидации [ править ]

Время, когда произойдет консолидация, можно предсказать. Иногда консолидация может занять годы. Это особенно верно в отношении 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 превышает нормальное, 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 слива во время консолидации.

t - время измерения

C _v определяется как коэффициент консолидации, найденный с использованием метода каротажа 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

Creep [ править ]

Приведенная выше теоретическая формулировка предполагает, что зависящее от времени изменение объема почвенной единицы зависит только от изменений в эффективном напряжении из-за постепенного восстановления установившегося давления поровой воды. Это относится к большинству типов песка и глины с низким содержанием органического материала. 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», поскольку 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:

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

Где H ₀ - высота уплотняющей среды;
e ₀ - начальный коэффициент пустотности;
C _a - показатель вторичного сжатия;
t - период времени после рассматриваемого уплотнения;
t ₉₅ - период времени для достижения 95% уплотнения.

См. Также [ править ]

• Уплотнение (геология)
• Механика грунта
• Вакуумное уплотнение
• Расчетный (структурный)

Ссылки [ править ]

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