Уплотнение почвы - Soil consolidation

Два эдометра на Кембриджский университет

Уплотнение почвы относится к механический процесс по которому почва постепенно меняет громкость в ответ на изменение давление. Это происходит потому, что почва представляет собой двухфазный материал, состоящий из зерен почвы и поровой жидкости, обычно грунтовые воды. Когда почва насыщенный водой подвергается повышению давления, высокое объемная жесткость воды по сравнению с матрицей почвы означает, что вода изначально поглощает все изменения давления без изменения объема, создавая избыток давление поровой воды. Поскольку вода диффундирует из областей высокого давления из-за просачивание, матрица почвы постепенно принимает изменение давления и сжимается в объеме. Таким образом, теоретическая основа консолидации тесно связана с уравнение диффузии, Концепция чего-либо эффективный стресс, и гидравлическая проводимость.

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 уплотнение почвы, проседание, и поднимать. Некоторые типы почв, в основном богатые органическая материя, показать значительный слизняк, 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 там, где строительство сидит над слоем почвы с низким жесткость и низкая проницаемость, например морская глина, что приводит к большим урегулирование на протяжении многих лет. Типы строительных проектов, в которых консолидация часто представляет собой технический риск, включают: мелиорация земель, построение набережные, и туннель и подвал раскопки в глине.

Инженеры-геотехники использовать эдометры для количественной оценки эффектов консолидации. При испытании на эдометре к тонкому диску образца грунта прикладывается серия известных давлений, и регистрируется изменение толщины образца со временем. Это позволяет количественно оценить характеристики уплотнения почвы с помощью коэффициента уплотнения (${\displaystyle C_{v}}$) и гидравлической проводимости (${\displaystyle K}$).

История и терминология

По словам «отца механика грунта ", Карл фон Терзаги, уплотнение - «любой процесс, который включает уменьшение влажности насыщенного грунта без замены воды воздухом». В более общем смысле, консолидация относится к процессу, посредством которого почвы изменить громкость в ответ на изменение давление, охватывая как уплотнение, так и набухание.^[1]

Величина изменения громкости

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

Консолидация - это процесс, в котором уменьшение объема происходит за счет постепенного вытеснения или поглощения воды при длительных статических нагрузках.^[2]

Когда стресс применяется к почве, это заставляет частицы почвы более плотно упаковываться. 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 эдометрический тест 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 ${\displaystyle \lambda }$ при вычислении в натуральном логарифме и ${\displaystyle C_{C}}$ при вычислении по десятичному логарифму.^[2][3]

Это может быть выражено 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 расчет за счет консолидации.

C_c - индекс сжатия.

е₀ это 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 отношению к логарифму эффективного напряжения часто идеализируется, чтобы принять одно и то же значение, известное как «индекс набухания» (с учетом символа ${\displaystyle \kappa }$ при вычислении в натуральном логарифме и ${\displaystyle C_{S}}$ при вычислении в логарифме по основанию 10).

C_c можно заменить на C_р (индекс рекомпрессии) 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 грунта перед уплотнением.

Этот метод предполагает, что консолидация происходит только в одном измерении. Лабораторные данные используются для построения графика напряжение или же коэффициент пустотности против эффективный стресс где ось эффективных напряжений лежит на логарифмическая шкала. 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, которые ранее были ледники на них. Самый высокий стресс, которому он подвергся, называется "напряжение перед консолидацией "." Коэффициент чрезмерного уплотнения "(OCR) определяется как наивысшее испытанное напряжение, разделенное на текущее напряжение. Почва, которая в настоящее время испытывает наибольшее напряжение, считается" нормально консолидированной "и имеет OCR равное единице. почву можно считать «недоконсолидированной» или «рыхлой» сразу после приложения новой нагрузки, но до превышения давление поровой 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

Аналогия с весной

Процесс консолидации часто объясняют идеализированной системой, состоящей из весна, емкость с отверстием в крышке и воду. 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

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

Время, когда произойдет консолидация, можно предсказать. Иногда консолидация может занять годы. Это особенно верно для насыщенных глин, потому что их гидравлическая проводимость очень низкий, и это приводит к тому, что воде требуется очень много времени, чтобы стекать из почвы. Пока идет дренаж, давление поровой воды больше, чем обычно, потому что он несет часть приложенного напряжения (в отличие от частиц почвы).

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

Где T_v фактор времени.

ЧАС_доктор это средний самый длинный путь слива во время уплотнения.

t - время измерения

C_v определяется как коэффициент консолидации, найденный методом каротажа с

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

или корневой метод с

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

т₅₀ время до 50% деформации (уплотнения) и t₉₅ 95%

Где T₉₅= 1,129 т₅₀=0.197

Слизняк

Приведенная выше теоретическая формулировка предполагает, что зависящее от времени изменение объема почвенной единицы зависит только от изменений эффективного напряжения из-за постепенного восстановления установившегося давления поровой воды. Так обстоит дело с большинством типов песок и глина с низким содержанием органических веществ. Однако в почвах с большим количеством органических материалов, таких как торф, феномен слизняк также происходит, когда почва постепенно меняет объем при постоянном действующем 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 уменьшается 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 H₀ высота уплотняющей среды
е₀ это начальный коэффициент пустотности
C_а вторичный индекс сжатия
t - период времени после рассматриваемой консолидации
т₉₅ это время для достижения 95% консолидации

Смотрите также

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

Рекомендации

1. Шофилд, Эндрю Ноэль; Гнев, Питер (1968). Механика критических состояний грунтов. Макгроу-Хилл. ISBN  9780641940484.
2. Ламбе, Т. Уильям; Уитмен, Роберт В. (1969). Механика грунта. Вайли.
3. Чан, Дерик Ю.К. (2016). Базовая плита вертикальной качки в более-сводном глины (Диссертация MRes). Кембриджский университет.
4. Берланд, Дж. Б. (1 сентября 1990 г.). «О сжимаемости и прочности на сдвиг природных глин». Геотехника. 40 (3): 329–378. Дои:10.1680 / geot.1990.40.3.329. ISSN  0016-8505.

Библиография

• Кодуто, Дональд (2001), Дизайн фундамента, Прентис-Холл, 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 грунтов, John Wiley & Sons, Inc., стр. 265