Vybrané kapitoly z geotechniky

Vybrané kapitoly z geotechniky Nenasycené zeminy

Literatura: [1] Fredlund, D. and Rahardjo, H. (1993) Soil mechanics for unsaturated soils. John Wiley. [2] Lu, N. and Likos, W.J. (2004) Unsaturated soil mechanics. John Wiley. [3] Fredlund, D.G. (2006) Unsaturated soil mechanics in engineering practice. JGGE ASCE, Vol. 132, No. 3, 286-321.

VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

1

Úvod Vadozní (“nenasycená”) zóna Kapilární zóna je ale nasycená

[3] VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

2

Úvod ...vadózní zóna – stavové charakteristiky


17.4.2012

3

Úvod Proč je to důležité – historicky zájem o “expanzivní” zeminy Cyklické změny objemu podle Sr


17.4.2012

4

Úvod Proč je to důležité – hutněné zemní konstrukce z definice nenasycené (Sr < 1)


17.4.2012

5

Úvod Proč je to důležité – reziduální zeminy jsou zpravidla od počátku nenasycené (Sr < 1) Podobně výsypky – z počátku nenasycené


17.4.2012

6

Úvod Proč je to důležité - interpretace UU zkoušek nasycených zemin Koncepce neodvodněné pevnosti su = konst. neplatí Na rozdíl od nasycených zemin w se může měnit při e = konst. a objem (e) se může měnit i při rychlé změně totálního napětí (zatížení)

[nejmenovaná zpráva o geotechnickém průzkumu] VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

7

Sání Celkové sání v pórové vodě vyjadřuje celkový termodynamický potenciál pórové vody vzhledem k vodě volné Celkový potenciál určuje: ● kapilarita ● interakce pevné a kapalné fáze (síly krátkého dosahu) ● chemické (osmotické) vlivy (teplota zanedbána) Při zanedbání sil krátkého dosahu

Ψt = Ψm+Ψo Ψm sání matricové (kapilární) zahrnuje interakci fází Ψo osmotické sání


17.4.2012

8

Sání .... kapilární síly, sání Rozhraní kapalina vs plyn (voda vs vzduch) – povrchové napětí voda vs vzduch: T s≈70mN/m (závisí na teplotě)

ua>uw

ua

17.4.2012

9

Sání .... kapilární síly, sání Vypařování – postupný rozdíl tlaků Δu – postupné zakřivování povrchu rozhraní voda-vzduch → Laplaceova rovnice pro rozdíl tlaků: Δu = ua- uw= Ts(1/r1-1/r2) kde r1 a r2 jsou poloměry menisku, nikoliv zrn Δu ≡ kapilární sání

Ploché částice → r2>>r1, 1/r2 lze zanedbat

[Santamarina, 2001] VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

10

Sání Kapilarita v zeminách – kapilární elevace → retence – retenční čára (SWCC)


17.4.2012

11

Sání ...retenční čára (SWCC)


17.4.2012

12

Sání Retenční čára (pF čára, SWCC) Kapilární zóna Trojfázová Suchá Dvojfázová zemina zemina zemina


17.4.2012

13

Napjatost a pevnost saturované vs nesaturované zeminy ...napjatost v nenasycené zemině (pokud platí efektivní napětí...)


17.4.2012

14

Efektivní napětí Nasycené zeminy σ'=σ-u “všechny měřitelné projevy změny napětí, tj. změna rozměrů, tvaru, pevnosti, jsou spojeny výhradně se změnami efektivního napětí...” Efektivní napětí je stavová proměnná, která jednoznačně určuje chování nasycené zeminy.


17.4.2012

15

Efektivní napětí Nasycené zeminy σ'=σ-u “všechny měřitelné projevy změny napětí, tj. změna rozměrů, tvaru, pevnosti, jsou spojeny výhradně se změnami efektivního napětí...” Efektivní napětí je stavová proměnná, která jednoznačně určuje chování nasycené zeminy. Částečně nasycené = nenasycené zeminy Zatím nebyla nalezena plně vyhovující formulace efektivního napětí “Bishopova” rovnice σ' = σ-ua+Χ(ua-uw) = σnet+Χ s vážený průměr pórových tlaků σ' = σ-(Χuw+(1-Χ)ua) σnet s Χ

je redukované napětí (totální napětí) je kapilární sání (Laplace) je materiálový parametr, neplatí Χ=Sr , ale Χ=Χ(Sr)


17.4.2012

16

Efektivní napětí .... Bishopova rovnice, Χ


17.4.2012

17

Efektivní napětí Snaha o zdůvodnění platnosti efektivních napětí

(Khalili et al, 2004) VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

18

Efektivní napětí

V současné době se používají buď dvě nezávislé proměnné pro napětí p - ua

(=p)

redukované napětí (net stress)

ua - u w

(=s)

(kapilární) sání

nebo rovnice pro efektivní napětí podle Bishopa σ' = σ-(Χuw+(1-Χ)ua) kde ale Χ ≠ Sr


17.4.2012

19

Efektivní napětí Dvě nezávislé proměnné pro napětí → “zdvojení parametrů”

(Fredlund and Rahardjo, 1993) VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

20

Efektivní napětí

τf = c’ + (σ - ua)f tgφ’ + (ua - uw)f tgφb VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

21

Efektivní napětí Dvě nezávislé proměnné pro napětí vs efektivní napětí – pevnost nenasycená zemina τf, unsat = c’ + (σ – ua+Χ (ua- uw) tgφ’ nasycená zemina: ua= uw τf, sat = c’ + (σ – ua) tgφ’ rozdíl pevností nenasycené a nasycené zeminy τf , unsat- τf, sat = Χ (ua- uw) tgφ’ Χ= (τf , unsat- τf, sat ) / ((ua- uw) tgφ’)


17.4.2012

22

Efektivní napětí Dvě nezávislé proměnné pro napětí vs efektivní napětí – pevnost (Khalili and Khabaz, 1998) nenasycená zemina τf, unsat = c’ + (σ – ua+Χ (ua- uw) tgφ’ nasycená zemina: ua= uw τf, sat = c’ + (σ – ua) tgφ’ rozdíl pevností nenasycené a nasycené zeminy τf , unsat- τf, sat = Χ (ua- uw) tgφ’ Χ= (τf , unsat- τf, sat ) / ((ua- uw) tgφ’)


17.4.2012

23

Efektivní napětí Dvě nezávislé proměnné pro napětí vs efektivní napětí – pevnost (Khalili and Khabaz, 1998) nenasycená zemina τf, unsat = c’ + (σ – ua+Χ (ua- uw) tgφ’ nasycená zemina: ua= uw τf, sat = c’ + (σ – ua) tgφ’ rozdíl pevností nenasycené a nasycené zeminy τf , unsat- τf, sat = Χ (ua- uw) tgφ’ Χ= (τf , unsat- τf, sat ) / ((ua- uw) tgφ’)

Vyhodnocení pevnosti 14 různých zemin

….empirický vztah pro Χ pro pevnost: X= ( (vstupní hodnota vzduchu) / (sání) )


17.4.2012

0.55

24

Efektivní napětí Dvě nezávislé proměnné pro napětí vs efektivní napětí – pevnost – CID rekonstituované výsypkové zeminy


17.4.2012

25

Efektivní napětí Dvě nezávislé proměnné pro napětí vs efektivní napětí – pevnost – CID rekonstituované výsypkové zeminy


17.4.2012

26

Efektivní napětí Dvě nezávislé proměnné pro napětí vs efektivní napětí – pevnost – neporušené vzorky reziduální zeminy


17.4.2012

27

Měření sání, stanovení retenční čáry Hystereze RČ

(Fredlund, 2006) VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

28

Měření sání, stanovení retenční čáry Přímá metoda určení RČ objem vody vytlačené tlakem vzduchu pro zabránění kavitace proporční zvýšení tlaků (“axis translation”) “pressure plate”


17.4.2012

29

Měření sání, stanovení retenční čáry Hrubozrnná zemina

(Havlíček a Myslivec, 1965) VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

30

Měření sání, stanovení retenční čáry Přímé měření sání snímačem (bez proporčního zvýšení napětí)

(Fredlund, 2006) VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

31

Měření sání, stanovení retenční čáry Přímá metoda určení RČ: přímé měření sání

(Boso et al, 2005) VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

32

Měření sání, stanovení retenční čáry Nepřímé metody měření sání Filtrační papír

(ASTM D5298-03) VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

33

Měření sání, stanovení retenční čáry Nepřímé metody měření sání Teplotní čidla

Shuai et al, 2003, GTJ VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

34

Měření parametrů v laboratoři

Obálka nelineární vzhledem k sání

(Kořán, 2004)

Pro měření objemových změn vzorků → komora s dvojitou stěnou VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

35

Měření parametrů v laboratoři Komora s dvojitou stěnou


17.4.2012

36

Modely pro nenasycené zeminy Barcelonský model zplastizování, plocha plasticity v (p,v)

(Alonso et al, 1990) VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

37

Modely pro nenasycené zeminy Barcelonský model 3D zobrazení plochy plasticity v (p,q,s)

(Alonso et al, 1990) VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

38

...interpretace UU zkoušek nasycených zemin UU Obálky nenasycených zemin

B<1→Δu < Δσ; různé Δ(ua-uw) pro různá σ3→různé počáteční stavy A-A3 původně identických vzorků; při smyku další Δu→větší MK pro vyšší reduk. napětí (←φb<φ')


17.4.2012

39

...interpretace UU zkoušek nasycených zemin UU Obálky - pokrač.

Při zkoušce při nižších napětích kavitace [1] VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

40

...interpretace UU zkoušek nasycených zemin UU trojosé zkoušky na jemnozrnné zemině: MV(F7), IP=39, wL=75, Sr=0,98

(nejmenovaná zpráva o geotechnickém průzkumu) VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

41

STABILITA NÁSYPU


17.4.2012

42

STABILITA NÁSYPU


17.4.2012

43

STABILITA NÁSYPU

ρd

Sr=70% Sr=85% Sr=100%

w VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

44

STABILITA NÁSYPU Tenzometr

keramika VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

45

STABILITA NÁSYPU

Měření sání v násypu in situ


17.4.2012

46

Příklady chování Stabilita svahů násypu

τf = c’ + (σ - ua)f tgφ’ + (ua - uw)f tgφb ckapilární= (ua - uw)f tgφb =….= fce (qf ,(p-ua)f , φ’) VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

47

Příklady chování Kapilární koheze (linearita obálky?)


17.4.2012

48

STABILITA NÁSYPU

c’ = 0; φ’= 28° Nenasycená zemina

τf= cc + (σ - ua)f tgφ’ = cc + 0,53 σ FS = 3 sání 35 kPa → cc ≅ 20 kPa sání 150 kPa → cc ≅ 40 kPa Nasycená zemina

τf= c’ + σ’ tgφ’ = 0,53 σ’

FS = 0,9

Stabilitní výpočty metodou mezní rovnováhy VKG – Nenasycené zeminy

17.4.2012

49

STABILITA NÁSYPU 1. Sání cca 35 kPa lze pro danou zeminu uvažovat jako kapilární kohezi cc = 20 kPa (40 kPa pro sání 150 - 300 kPa). 2. V zimním období sání klesá na nulu. 3. V klimatických podmínkách ČR nelze dlouhodobě uvažovatzvýšení pevnosti a stability vlivem sání. 4. Sesuvy pozorované na obou hutněných násypech souvisí se sezónním poklesem sání (‘dlouhodobá’ - odvodněná stabilita).


17.4.2012

50

Citovaná literatura Alonso, E.E., Gens, A. and Josa, A. (1990) A constitutive model for partially saturated soils. Géotechnique 40, No 3, 405-430. Bishop, A.W. (1961) The measurements of pore pressure in the triaxial test. Proc. Pore Pressure and Suction in Soils, Butterworths, London, 38-46. Boso, M., Tarantino, A. and Mongiovi, L. (2005) Shear strength behaviour of a reconstituted clayey silt. Proc. Unsaturated soils, Mancuso & Tarantino (eds), Taylor and Francis, London, 1-14. Fredlund, D.G. (2006) Unsaturated soil mechanics in engineering practice. JGGE ASCE, Vol. 132, No. 3, 286321. Fredlund, D.G. and Morgenstern, N.R. (1977) Stress state variables for unsaturated soils. JGEDiv ASCE, 103, No 5, 447-466. Havlíček, J. and Myslivec, A. (1965) The influence of saturation and stratification on the shearing properties of certain soil. Proc 6ICSMFE, Vol 1, 235-239. Karube, D. (1988) New concept of effective stress in unsaturated soil and rock. ASTM STP977, 539-552 Khalili, N., Geiser, F. and Blight, G.E: (2004) Effective stress in unsaturated soils: Review with new evidence. International Journal of Geomechanics ASCE, 4, 2, 115-126. Kořán, P. (2004) Smyková pevnost nenasycené jílovité zeminy a kaolinu. Doktorská dizertace. PřF UK, Praha. Li, X.S. (2003) Effective stress in unsaturated soil: a microstructural analysis. Géotechnique 53, No 2, 273-277. Rahardjo, H. and Leong, E.C. (2006) Suction measurements. ASCE Geot. Spec. Publ. No 147 (Proc 4th Int Conf Unsat Soils), Vol 1, 81-104. Shuai, F, Fredlund, D.G. and Samarakesera, L. (2003) Numerical simulation of water movement in the suction equalization of a thermal conductivity sensor. Geot. Testing. J. Vol. 26, No. 2, 1-9. Terzaghi, K. (1936) The shearing resistance of saturated soils and the angle between the planes of shear. Proc. ICSMFE, Vol. 1, Cambridge, Mass., 54-56.


17.4.2012

51

Vybrané kapitoly z geotechniky

Recommend Documents