Processo di consolidamento della deformazione dei terreni
Ogni volta che viene sollecitata una massa di terreno, si deforma. La deformazione può essere sotto forma di distorsione o di variazione del volume della massa del suolo. Come in un deposito naturale, la massa del suolo è confinata su tutti i lati, quindi il cambiamento di forma, ovvero la distorsione del suolo non è possibile. L'unica possibilità è il cambio di volume, cioè la compressione del terreno.
Al momento del carico, un impacco del terreno dovuto a:
(i) Compressione di grani solidi
(ii) Compressione di pori d'acqua e aria
(iii) Espulsione di acqua e aria dal vuoto della massa del terreno. Sotto carichi di ingegneria tipici, la compressione dei solidi del suolo e l'acqua di colata sono trascurabili.
Pertanto, la compressione per l'aria e l'espulsione dell'aria e dell'acqua dai vuoti contribuiscono al massimo al cambiamento di volume del terreno caricato. Queste variazioni di volume possono essere evidenziate da due processi distinti. Compattazione e consolidamento.
compattazione:
La compattazione è il processo in cui le particelle del terreno sono impacchettate più strettamente tra loro mediante mezzi meccanici, ad esempio, carico dinamico come rotolamento, rincalzatura e vibrazione, ecc. Si ottiene riducendo il vuoto d'aria. C'è poca o nessuna riduzione del contenuto d'acqua.
Consolidamento:
Il consolidamento è il processo in cui le particelle del terreno vengono impacchettate più strettamente insieme per un certo periodo di tempo sotto l'applicazione di una pressione continua, cioè carico statico. È realizzato principalmente da un drenaggio graduale dell'acqua dai pori del terreno. Il consolidamento avviene per argille saturi o quasi saturi o altri terreni a bassa permeabilità.
Test di consolidamento:
Per prevedere l'insediamento di consolidamento nel suolo, abbiamo bisogno di conoscere le proprietà di stress-deformazione (cioè, la relazione tra la pressione effettiva e il rapporto di vuoto) del suolo. Ciò comporta normalmente il caricamento del campione di terreno in laboratorio su una serie di carichi e la misurazione dei corrispondenti insediamenti. Questo test è noto come test di consolidamento. L'apparato di prova è chiamato consolidometro.
La figura 6.1 (a) e (b) mostra il consolidamento del tipo ad anello fisso e del consolidometro ad anello flottante. Nel tipo ad anello fisso, solo la pietra porosa superiore può spostarsi verso il basso, mentre nel tipo ad anello flottante le pietre porose superiori e inferiori sono libere di muoversi. La permeabilità del campione in qualsiasi fase del carico può essere misurata solo nel tipo ad anello fisso. La compressione del campione viene misurata mediante comparatore montato sul cappuccio di carico. Il campione può consolidarsi con un numero di incrementi di pressione verticale come 0, 1, 0, 2, 0, 5, 1, 2, 4, 8 e 10 kg / cm 2 .
La scelta della pressione verticale dipende principalmente dalla pressione del sito prevista, inclusa la pressione di sovraccarico. Un rapporto di incremento del carico (LIR) di unità viene utilizzato nei test convenzionali. LIR di unità significa che il carico è raddoppiato ogni volta. Ogni incremento di pressione viene mantenuto per un periodo di 24 ore. L'esemplare si consolida con drenaggio libero che si verifica dalle facce superiore e inferiore. Le letture del comparatore sono rilevate a 30 sec, 1, 2, 4, 8, 15, 30 minuti, 1 ora, 2, 4, 8 e 24 ore.
Quando il consolidamento sotto la pressione finale è completo, il campione viene scaricato e lasciato gonfiare. I risultati sono presentati in una carta per grafici a semi-registro con pressione applicata su scala di registro in ascissa e corrispondente rapporto di vuoto come ordinata su scala lineare. Il rapporto di vuoto corrispondente a ciascun LIR applicato è definito come la pressione può essere calcolata dalle letture del comparatore e il peso a secco del campione viene prelevato alla fine del test.
Determinazione del rapporto di vuoto secondo il metodo del peso secco:
Questo metodo è applicabile a campioni sia saturi che parzialmente saturi.
Sia M s = massa secca del campione alla fine del test
A = Area del campione
G = Sp. gravità del suolo
Quindi lo spessore equivalente del terreno solido 'H S ' è calcolato come segue:
Le curve di compressione che possono essere ottenute da un test di consolidamento eseguito su un campione di argilla sono mostrate nella figura 6.3.
Dopo aver consolidato il campione fino al punto di pressione Q, il campione può espandersi per diminuzione della pressione. Durante l'espansione, il campione non ritorna mai al suo volume originale a causa di una compressione permanente. Al momento del ricaricamento, si ottiene la curva di ricompressione RS.
Quando viene raggiunta la pressione precedente corrispondente al punto 0, la curva di ricompressione ha un rapporto di vuoti leggermente più basso. Il test viene continuato aumentando ulteriormente la pressione, la curva risultante è più o meno l'estensione della porzione iniziale PQ. La Figura 6.3 (b) mostra il grafico del rapporto effettivo di pressione rispetto a vuoto su carta per grafici a semi logati. Le porzioni diritte P 1 Q 1 e S 1 T 1 su entrambi i lati di O 1 sono indicate come curva di compressione vergine.
Coefficiente di comprimibilità:
Il coefficiente di compressibilità 'a V ' è definito come la diminuzione del rapporto di vuoto per unità di aumento della pressione.
dove e 0 ed e sono i rapporti di vuoti all'inizio e alla fine del consolidamento sotto l'incremento di pressione Δσ '. Il segno negativo indica che e diminuisce al crescere di σ.
Coefficiente di comprimibilità del volume (m V )
[Cofficient of Volume Change]
Coefficiente di variazione del volume è la variazione di volume di un suolo per unità di volume iniziale per unità di aumento della pressione. L'unità di m v è la stessa di a v
quando il terreno è confinato lateralmente, la variazione del volume è proporzionale al cambiamento di spessore ΔH e il volume iniziale è proporzionale allo spessore iniziale H 0 . Quindi eqn. (i) diventa
mv = ΔH / H 0 - 1 / Δσ
Il cambiamento di spessore, ΔH dovuto all'incremento di pressione è dato da
ΔH = - m v H o Δσ
Indice di compressione (c c )
È la pendenza della porzione lineare della curva e vs log σ ed è adimensionale.
Per la parte lineare della curva:
Coefficiente di consolidamento:
È il rapporto tra il coefficiente di permeabilità e il prodotto del coefficiente di variazione di volume con il peso unitario dell'acqua. È denotato come cv = K / m v γ w
dove K = Coefficiente di permeabilità
γw = peso unitario dell'acqua
C v = coefficiente di consolidamento
m V = coefficiente di variazione del volume
Il coefficiente di consolidamento è indicativo dell'effetto combinato della comprimibilità e della permeabilità del suolo sulla velocità di variazione del volume.
Il coefficiente di consolidamento può anche essere calcolato dalla relazione riportata di seguito.
Tv = c v t / d 2
dove T v = fattore temporale che è una funzione del grado di consolidamento
t = tempo impiegato per il consolidamento
d = percorso di drenaggio, per condizioni di doppio drenaggio d = H / 2
Poiché Tv è costante per un dato grado di consolidamento e date condizioni limite del problema in esame, il tempo necessario per raggiungere un certo grado di consolidamento 'U' è direttamente proporzionale al quadrato del suo percorso di drenaggio e inversamente proporzionale al coefficiente di consolidamento. Per un determinato terreno in un dato rapporto di vuoti, c v aumenta con l'aumentare della grandezza della pressione di consolidamento.
Consolidamento del suolo indisturbato:
A seconda della cronologia di consolidamento, i depositi del suolo possono essere suddivisi in tre classi:
(i) terreno di pre-consolidamento o su terreno di consolidamento.
(ii) terreno normalmente consolidato.
(iii) Sotto terra consolidata.
(1) terreno pre-consolidato:
Si dice che un'argilla sia pre-consolidata se è sempre stata sottoposta a una pressione maggiore della pressione di sovraccarico presente.
Un terreno può essere stato pre-consolidato dal carico strutturale che non esiste più ora o dal peso di una lastra di ghiaccio che si è sciolta.
(ii) Terreno normalmente consolidato:
Il terreno che non è mai stato sottoposto a una pressione effettiva maggiore della pressione di sovraccarico attuale è chiamato terreno normalmente consolidato. Il terreno è completamente consolidato dalla pressione di sovraccarico esistente.
(iii) Sotto terra consolidata:
Il terreno che non è completamente consolidato dall'attuale pressione di sovraccarico è chiamato sotto terra consolidata.
Over Consolidation Ratio (OCR):
È il rapporto tra la pressione di pre-consolidamento e l'attuale pressione di sovraccarico.
OCR = Pressione di pre-consolidamento / Presente pressione di sovraccarico
OCR> 1, indica un'argilla normalmente consolidata.
E OCR> 1, indica un'argilla troppo consolidata
Fattori che influenzano il consolidamento:
I fattori che influenzano il consolidamento sono:
(a) Spessore dello strato di argilla
(b) Numero del percorso di drenaggio
(c) Coefficiente di permeabilità
(d) Coefficiente di consolidamento
(e) Grandezza della pressione consolidante e modo della sua distribuzione attraverso lo spessore dello strato.
(f) Fattore temporale
a) Spessore dello strato di argilla:
Se lo spessore è maggiore, il consolidamento dello strato sarà più dovuto alla pressione di sovraccarico.
(b) Numero del percorso di drenaggio:
Il percorso di drenaggio rappresenta la distanza massima che le particelle d'acqua devono percorrere per raggiungere lo strato di drenaggio libero. Se il percorso di drenaggio è maggiore della distanza di spostamento delle particelle d'acqua, si riduce la proporzionalità e, a sua volta, l'acqua uscirà dallo strato di terreno causando il consolidamento. Quindi più il percorso di drenaggio, più sarà il consolidamento.
(c) Coefficiente di permeabilità:
Se il coefficiente di permeabilità del suolo è maggiore, l'acqua uscirà dai pori del terreno più facilmente e quindi il consolidamento sarà più.
(d) Coefficiente di consolidamento:
Il coefficiente di consolidamento è direttamente proporzionale al grado di consolidamento e quindi se il coefficiente di consolidamento è più il consolidamento del suolo sarà più.
(e) Entità della pressione consolidante e sua distribuzione:
Il consolidamento del suolo è fortemente influenzato dalla pressione consolidante e dalla sua distribuzione. Se la pressione consolidante è maggiore e viene uniformemente distribuita sull'area, il consolidamento sarà più.
(f) Fattore temporale:
Dall'equazione di consolidamento cioè Tv = C v t / d 2 deselezionare che il coefficiente di consolidamento (Cv) è direttamente proporzionale al fattore temporale (T V ). Se il fattore tempo è più il consolidamento sarà più.
Totale liquidazione:
La compressione totale di uno strato di suolo saturo per un lungo periodo di tempo sotto carico statico è chiamata liquidazione totale. È indicato da S.
S = S i + S c + S s
S i = insediamento immediato
Sc = liquidazione del consolidamento o liquidazione primaria
Ss = insediamento secondario
Insediamento immediato:
È la parte dell'insediamento che si verifica immediatamente dopo l'applicazione del carico. È principalmente dovuto alla compressione immediata dello strato di terreno in condizioni non allenate. Insediamento immediato è molto piccolo rispetto al regolamento primario.
Consolidamento Regolamento op. Primario:
È la parte dell'insediamento in cui vi è l'espulsione di acqua interstiziale dai vuoti dei suoli. Questo processo provoca una diminuzione del volume di vuoti.
Il regolamento di consolidamento Sc può essere calcolato con uno dei seguenti metodi:
(i) In base al coefficiente di variazione del volume, m v
Il movimento verso il basso della superficie dello strato di consolidamento si chiama consolidamento del consolidamento. Questo movimento è dovuto alla diminuzione del volume di una massa di suolo saturo sotto il carico applicato.
Insediamento secondario:
È dovuto al riorientamento delle particelle, alla deformazione e alla decomposizione di materiali organici. Non richiede l'espulsione dell'acqua interstiziale. Insediamento secondario è trascurabile in sabbie e ghiaie, ma può essere significativo in argille altamente plastiche, terreni organici e riempimenti a livello sanitario.
Insediamento uniforme:
Se la massa del terreno al di sotto di una struttura si comprime uniformemente in tutto, allora l'insediamento della struttura è uniforme. È definito come insediamento uniforme. Lo schema linea costante (figura 6.6) mostra la condizione della struttura prima del regolamento e la linea tratteggiata mostra la condizione dopo il regolamento.
Se una struttura ha fondamenta rigide, subisce un assestamento uniforme.
Liquidazione Differenziale:
La figura 6.8 mostra un bulbo a pressione di area perfettamente flessibile e caricata di larghezza B. Il valore delle sollecitazioni verticali indotte sotto la linea centrale di un'area caricata è sempre maggiore del suo valore alla stessa profondità sotto il bordo dell'area caricata. A causa di questa differenza di stress indotto, l'insediamento è più al centro che al bordo.
Poiché l'insediamento non è uniforme, si chiama insediamento differenziale. Il regolamento differenziale è la differenza nell'insediamento tra due fondazioni o tra due punti di una fondazione singola. È principalmente dovuto a disuniformità nel terreno, differenze nei carichi strutturali, ecc.
Tasso di liquidazione:
Il tasso di liquidazione è il momento in cui si verifica una percentuale della liquidazione totale.
Il tasso di liquidazione dipende dai seguenti fattori:
(i) Spessore dello strato di terreno
(ii) Permeabilità del suolo
(iii) Numero di facce di drenaggio
(iv) Grandezza del carico applicato.
Il tasso di liquidazione può essere calcolato utilizzando la formula
(i) T = C v t / h 2
dove T = fattore tempo
C v = coefficiente di consolidamento
h = lunghezza del percorso di drenaggio più lungo
Saldo dovuto alle operazioni di costruzione e abbassamento del piano idrico:
Lo scavo del terreno induce il movimento del terreno circostante verso lo scavo che provoca l'insediamento della superficie del terreno adiacente allo scavo. L'insediamento può verificarsi quasi il doppio della profondità dello scavo intorno agli scavi aperti. Durante il tunneling, potrebbe verificarsi un insediamento della superficie del terreno al di sopra del tunnel. I fondamenti delle strutture presenti nella zona interessata possono spostarsi, con conseguente inclinazione delle strutture o formazione di fessure nelle strutture.
Per minimizzare i danni alle strutture adiacenti, l'ingegnere geotectonico incaricato seleziona un metodo di scavo che minimizza il movimento del suolo. Prima del tunneling vengono eseguite misure di protezione della fondazione sotto forma di stuccatura del terreno che riduce al minimo il movimento verso l'interno del terreno durante il tunneling e riduce l'insediamento superficiale.
I terreni sciolti, saturi e a grana grossa vengono compattati dalle vibrazioni prodotte durante le operazioni di costruzione, con il risultato di un apprezzabile cedimento della superficie del terreno. La principale fonte di vibrazioni della costruzione sono la guida su pali, la trincea meccanica, la demolizione esplosiva ecc. Fino a poco tempo fa, le misure di protezione si basavano sulla velocità delle particelle di picco indotte dalle vibrazioni e sul loro decadimento con la distanza dalla sorgente. Linee guida più razionali sono ora in fase di sviluppo.
L'abbassamento della falda aumenta il peso unitario effettivo del terreno originariamente sotto la falda freatica, che può causare un sostanziale assestamento sia nella zona disidratata che nel terreno sottostante. Questo aumento della pressione effettiva causa l'insediamento in sabbia smossa. Nel terreno argilloso, l'aumento della pressione effettiva causerà grandi insediamenti perché l'argilla è altamente comprimibile.
heaving:
Il movimento ascendente del suolo è chiamato sollevamento. Il problema di sollevamento si verifica quando il terreno si espande a causa della riduzione della pressione di confinamento o dell'aumento del contenuto di acqua. L'alto grado di caratteristica di sollevamento è osservato in terreni espansivi. Il problema di sollevamento è particolarmente comune nelle regioni aride. In tali aree i terreni si asciugano e si restringono durante il tempo arido e si espandono quando l'umidità diventa disponibile.
Nelle zone in cui il suolo è soggetto al congelamento, vi è un movimento verso l'alto nel terreno a causa della formazione di ghiaccio sotterraneo e questo fenomeno si chiama sollevamento di ghiaccio.
L'aumento del gelo è principalmente dovuto ai seguenti motivi:
(i) Quando il terreno si ghiaccia, l'acqua si espande di circa il 9% in volume e il terreno si espande del 4% in volume. Tali tiri sono abbastanza uniformi e causano un danno relativamente piccolo.
(ii) Se la falda freatica è elevata, l'azione capillare può attirare acqua verso la zona congelata dove forma delle linee di ghiaccio come mostrato nella figura 6.11. Questo meccanismo può spostare grandi quantità di acqua e può essere in grado di produrre sollevamenti di superficie del terreno di 12 pollici o più. Tali sollevamenti sono molto irregolari e possono causare gravi danni alle opere di ingegneria civile.
I problemi di sollevamento sono comunemente associati a strutture leggere come piccoli edifici, marciapiedi stradali, dighe, canali di sfiato ecc.
Creep:
Lo scorrimento viscoso è il movimento lento e a lungo termine dei terreni su pendii ripidi. Il movimento è in genere dell'ordine di millimetri all'anno. Si verifica a causa della gravità dovuta a sollecitazioni di taglio in discesa, all'azione del gelo, all'espansione e alla contrazione delle argille. Se lo sforzo di taglio in argilla supera circa il 70% della resistenza al taglio, inizia a verificarsi un lento movimento di taglio o scorrimento.
Alcune argille mostrano uno scorrimento viscoso significativo se lo sforzo di taglio supera circa il 50% della resistenza al taglio. Lo scorrimento viscoso si estende fino a profondità da 0, 3 a 3 m, con gli spostamenti massimi che si verificano sulla superficie del terreno. Nel breve termine l'effetto dello scorrimento nelle strutture è insignificante, ma a lungo termine lo scorrimento può produrre distorsioni significative nelle strutture fondate su tali terreni. A causa dello scorrimento, il terreno si muove in discesa, producendo un materiale che è inferiore al suolo genitore. Questo comportamento di scorrimento è uno dei motivi per cui è necessario un maggiore fattore di sicurezza nei terreni argillosi.
