A talajok összenyomódásának vizsgálata
Amit már tudni kellene… • • • • •
Összenyomódás Konszolidáció Normálisan konszolidált talaj Túlkonszolidált talaj Túlkonszolidáltsági arányszám, OCR
Konszolidáció az az időben lejátszódó folyamat melynek során a pórusvíz kinyomódik a talaj pórusaiból,a teljes feszültségek hatékonnyá válnak, és a térfogatváltozás lejátszódik. Előterhelési nyomás az a legnagyobb földnyomás amely egy adott talajelemet valaha terhelte Normálisan konszolidált talaj olyan talaj amely története során még soha nem kapott nagyobb terhelést, mint ami jelenleg rá ható hatékony földnyomás Túlkonszolidált talaj olyan talaj amelyre története során már hatott nagyobb nyomás, mint jelenleg rá ható földnyomás Túlkonszolidáltsági arány, OCR a talajelemre valaha hatott legnagyobb és a jelenleg ható függőleges földnyomás aránya Kompresszós index, Cc, a normál kompressziós görbe, lg(σz) – e koordinátarendszerbeli ábrázolása alapján meghatározott egyenes hajlásszöge Rekompressziós index Cur , a tehermentesítési és újraterhelési görbe átlagának, lg(σz) – e koordinátarendszerbeli ábrázolása alapján meghatározott egyenes hajlásszöge Összenyomódási modulus, Es, az aritmetikus koordinátarendszerben ábrázolt kompressziós görbe egy adott szakaszához tartozó húr hajlásszöge. Elsődleges (konszolidációs) összenyomódás a talajok azon térfogatváltozása amely a pórusvíz pórusokból való kinyomódása következtében alakul ki Másodlagos összenyomódás (jellemzően finomszemcséjű) talajok azon térfogatváltozása amely a pórusvíz pórusokból való kinyomódása után következik be Többlet pórusvíznyomás a pillanatnyi nyugalmi víznyomáshoz viszonyított többletvíznyomás. Szivárgási úthossz a legnagyobb úthossz, amit egy vízrészecskének meg kell tennie valamely nyugalmi potenciálon lévő felületig.
Alakváltozások fajtái: • Nyírási alakváltozás: γ • A nyírási alakváltozás során a térfogatelem térfogata nem változik • A talajok nyírásakor bekövetkező tömörödés vagy lazulás a talajok speciális viselkedéséből adódik • A nyírási alakváltozás önmagában nem időfüggő, még talajok esetében sem • A nyírófeszültségek és a nyírási alakváltozások között a kapcsolatot rugalmas állapotban pl. a nyírási modulus adhatja meg (lineárisan rugalmas esetben), a rugalmas és a képlékeny állapotok közötti határállapotot a nyírószilárdság • Térfogati alakváltozás : εv=ε1+ε2+ε3 • Az érintett elem fajlagos térfogatváltozását adja meg • Konszolidáció (időfüggő)
A talajok összenyomódása időben elhúzódó, a terhelő feszültség nagyságától függő folyamat. Δε=f(σ,t), azaz a hézagtényező változása az idő és a terhelő feszültség függvénye Konszolidáció Δεσ=f(σ=konst,t)
Kompresszió Δεt=f(σ,t=const(=∞))
• Térbeli állapot figyelembevétele • • • •
alapok széle alatt számítógépes tervezéskor azonnali összenyomódás számítására Hooke-törvény vagy bonyolultabb nem-lineáris anyagmodellek alapján
• Lineáris alakváltozási állapot • szélesebb alapok közepe alatt • a rutinszerű mérnöki gyakorlatban • kompressziós görbe, annak linearizálásával nyert összenyomódási modulus vagy szemilogaritmikus vagy hatványösszefüggés alapján
• Izotróp feszültségi állapot • Elemvizsgálatok, modellparaméterek meghatározása
Konszolidáció
A teljes összenyomódás összetevői • Azonnali összenyomódás vagy
Sr<1 – levegő kinyomódása
• Konszolidáció
• Másodlagos összenyomódás
Sr=1 – oldalirányú alakváltozás ΔV=0
Azonnali összenyomódás • Telített talaj • térfogatállandóság melletti függőleges összenyomódás az oldalirányú alakváltozás miatt • számítása a Hooke-törvénnyel • µ=0,5 és Eu triaxiális vizsgálatból • Telítetlen talaj • az előbbi mellett még a levegő összenyomódása is
Konszolidáció
vS= f (du)
u
vs ΔV = ΔVV
σ = σ' + u
ε
σ' ε = σ' / Εs
κ%
Az elméleti konszolidációs görbe 0 20
konszolidációsfok
40 60 80 100 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
időtényező T
Δh(t ) κ= Δh(t = ∞ )
k ⋅ Es 1 1 T= ⋅ 2 ⋅ t = cv ⋅ 2 ⋅ t ρv ⋅ g H H
Különböző perem- és kezdeti feltételekhez tartozó konszolidációs görbék
A konszolidáció során a pórusvíznyomás, és az összenyomódás a mélység és az idő függvényeként változik. A folyamatot egy dimenziós feladat esetén egy első változójában (mélység) másodrendű, második változójában elsőrendű parciális differenciál egyenlettel lehet leírni (lásd a fenti ábrán) A parciális differenciál egyenlet megoldásait jelentő görbeseregből a megoldás során bekerülő integrálási állandóknak az adott perem- és kezdeti feltételekek megfelelő kiválasztásával lehet az adott problémát leíró konszolidációs görbét kiválasztani.
Konszolidáció jelensége
1 nap
1 hét idő
0
fajlagos összenyomódás ε z %
0
5
10
15
20
1000
2000
3000
4000
5000
t
min 6000
7000
8000
9000
10000
11000
1 nap
1 hét idő
0
1000
2000
3000
4000
5000
t
min 6000
7000
8000
9000
10000
11000
fajlagos összenyomódás ε z %
0
5
10
15
20
1 nap
idő t min 0,01
fajlagos összenyomódás
εz %
0
5
10
15
20
0,1
1
10
100
1000
1 hét 10000
1 hónap 100000
Másodlagos összenyomódás Bingham modell: dγ dt dε σ = σ0 + D ⋅ dt σ − σ0 dε = ⋅ dt D τ = τ0 + B ⋅
t ε z = ε z 0 + Cα . ln t0
1 nap
idő t min 0,01
εz %
0
fajlagos összenyomódás
Értelmezés mérési eredmények alapján
5
10
15
20
0,1
1
10
100
1000
1 hét 10000
1 hónap 100000
Kompresszió (t=konstans) • azonnali süllyedés
t0 = 0
• a konszolidáció vége
tc = t98 ≈ 1-3 év
• az építmény élettartama (ha van kúszás)
té ≈ 50-100 év
függőleges fajlagos összenyomódás εz %
függőleges feszültség σz kN/m2
1,8
hézagtényező
e
1,4
ülepedési görbe CC kezdeti feszültség újraterhelés CR
1,0
előterhelés
0,6
tehermentesülés CS 0,2 10
σ'z0
σ'zmax
100 függőleges feszültség σ
kPa
1000
Kompressziós görbe matematikai közelítései (modellek) Linearizálás a megfelelő tartományban függőleges feszültség σz kN/m2
függőleges fajlagos összenyomódás εz %
σʹz εz = Es
σ’z0
Δσz
Δσ z Es = Δε z Δεz
1,8
Szemilogaritmikus leírások
C σʹzo + σʹz εz = . ln 1 + e0 σʹz0
e hézagtényező
Klasszikus:
1,4
ülepedési görbe CC kezdeti feszültség újraterhelés CR
1,0
előterhelés
0,6
tehermentesülés CS 0,2 10
σ'z0
függőleges feszültség σ
Kritikus állapot jelölésekkel:
v = 1 + e = N + λ ⋅ ln p '
σ'zmax
100 kPa
1000
Hatványfüggvényes leírások:
εz = Log-log leírások:
a ⋅ σʹzb
⎛ σʹz ⎞ Es = v ⋅ pa ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ pa ⎠
w
Vizsgálatok
• Terhelési lépcsők • Pl (10) - 50 - 100 - 200 - 400- 800 • más módszerek is vannak
• Terhelési időtartam • 24 óra • 0,02 mm/óra sebesség • a konszolidáció végéig
Az alakváltozási jellemzők meghatározása • Laboratóriumi mérésekből • Ödométeres vizsgálat - lineáris alakváltozási állapot modellezése ES CC CS σ’zmax cv Cα a b meghatározására • Triaxiális vizsgálat - térbeli állapot modellezése E µ
Εu (ES CC CS σ’zmax cv Cα a b ) meghatározására
• Terepi mérésekből • Terhelőlapos vizsgálat • Presszióméteres vizsgálat • Szondázásokból
- elméleti úton közvetlenül - elméleti úton közvetlenül - tapasztalati alapon korrelációkkal
• Tapasztalati adatok alapján felvéve
