Konsolidacja podłoŝa gruntowego

Transkrypt

1 Konsolidacja podłoŝa gruntowego

2 Konsolidacja gruntu jest to proces zmniejszania się objętości gruntu w wyniku zmian objętości porów, przy jednoczesnym wyciskaniu z nic wody. Proces ten jest skutkiem nacisku na grunt wywołanego przez obciąŝenie zewnętrzne. W przypadku w gruntów mało ściśliwyc (przykładowo zagęszczonyc piaskac) zmiany porowatości wskutek przyrostu napręŝeń są stosunkowo małe i przebiegają szybko. Z kolei w gruntac bardzo ściśliwyc np. miękkie iły, namuły, torfy itp., pory gruntowe są najczęściej całkowicie wypełnione wodą, a zmiana napręŝeń wywołuje zmianę przede wszystkim zmianę zawartości wody. Przebieg procesu konsolidacji w tego typu gruntac jest powolny i wynika z ic bardzo małej wodoprzepuszczalności.

3 Powolnemu odkształcaniu gruntów ściśliwyc pod wpływem przyłoŝonego obciąŝenia () towarzyszy zmiana napręŝeń efektywnyc w szkielecie gruntowym (') oraz ciśnień w wodzie w porac gruntu ( u ): - bezpośrednio po zwiększeniu obciąŝenia gruntu cały przyrost nacisku jest przejmowany przez woda zawartą w porac gruntu, co powoduje powstanie nadciśnienia porowego; z kolei przyrost napręŝeń efektywnyc jest pomijalnie mały, (' 0, a u ), - w miarę upływu czasu na skutek odpływu wody nadciśnienie porowe maleje, a jednocześnie następuje przyrost napręŝeń efektywnyc w szkielecie, - po zakończeniu procesu konsolidacji ciśnienie w wodzie jest równe ciśnieniu ydrostatycznemu, jakie istniało przed zwiększeniem obciąŝenia gruntu, a napręŝenia efektywne są równe przyrostowi nacisku na grunt: ', a u 0.

4 Teoria konsolidacji jest oparta na następującyc upraszczającyc załoŝeniac: pory w gruncie są całkowicie wypełnione wodą, zarówno woda, jak i szkielet gruntowy są nieściśliwe, woda nie przejmuje napręŝeń ścinającyc, przepływ wody w gruncie wynika z prawa Darcy ego, a współczynnik wodoprzepuszczalności jest wielkością stałą, powodem powolnego przebiegu konsolidacji jest jedynie mała wodoprzepuszczalność gruntu, a nie inne opory.

5 Hydrostatyczne nadciśnienie wody w warstwie iłu pod wpływem obciąŝenia momentalnego A Ił mpl M B z skała Scemat warstwy gruntu konsolidowanego

6 t < t1 <t2 t0 t 1 t 2 H t u γ w t H 0 u γ 0 w γ w A Ił - mpl M B z warstwa nieprzepuszczalna Rozkład ciśnienia wody w porac w przekroju AB w trakcie trwaniu procesu konsolidacji

7 Równania róŝniczkowego konsolidacji określającego nadciśnienie w wodzie u ma postać [Wiłun 2003]: + n 2 2 Tv 4 1 (2n 1) π z (2n+ 1) π 4 u sin e π n 0 2n gdzie: e - podstawa logarytmu naturalnego, T v - czynnik czasowy

8 T v c k 2 t k γ m w v t 2 gdzie: k - współczynnik filtracji warstwy ściśliwej, t - czas konsolidacji, γ w - cięŝar objętościowy wody, m v - współczynnik ściśliwości objętościowej, a - współczynnik ściśliwości, - miąŝszość warstwy ściśliwej.

9 W przypadku konsolidacji jednoosiowej wyróŝniamy dwa zasadnicze układy warstw: półotwartą i otwartą. W warstwie otwartej woda moŝe odpływać przez strop i spąg warstwy, natomiast w warstwie półotwartej odpływ jest moŝliwy tylko w jednym kierunku - przez strop albo przez spąg. warstwa półotwarta 2 warstwa otwarta Scemat warstw konsolidującyc

10 Przebieg osiadania w czasie konsolidacji gruntu Zmniejszanie się grubości jednostkowej warstwy w czasie konsolidacji moŝna określić za pomocą wzoru: s a 1+ + e 0 m v Zakładając, Ŝe napręŝenie ' jest równomiernie rozłoŝone na całej wysokości warstwy, końcowe osiadanie całej skonsolidowanej warstwy o miąŝszości wyniesie: s m v ' ' M 0

11 Zmniejszanie się grubości warstwy w czasie t moŝna obliczyć wg wzoru: σ st mv ( ut ) dz 0 s po podstawieniu do wzoru wartości u t oraz całkując otrzymamy: t n 8 m v 1 2 π n 0 1 (2n + 1) 2 e 2( n+ 1) 2 π 2 Tv 4

12 Osiadanie całej danej warstwy ściśliwej w czasie t do jej ostatecznego osiadania po całkowitym skonsolidowaniu moŝna zapisać: s t s c S k gdzie: S k - stopień konsolidacji, S kz ' t u t s c - osiadanie całkowite warstwy

13 Stopnie konsolidacji dla róŝnyc przypadków rozkładu napręŝeń w warstwie ściśliwej półotwartej Czynnik czasowy T v 0,004 0,008 0,012 0,020 0,028 0,036 0,048 0,060 0,072 0, S k1 S k2 S k3 S k4 0,080 0,135 0,003 0,104 0,186 0,016 0,125 0,223 0,024 0,160 0,279 0,040 S k 4 S k1 0,189 0,322 0,056 1 a 0,214 0,356 0,072 ( S k1 1+ a 0,247 0,388 0,096 0,276 0,433 0,120 0,303 0,462 0,144 0,357 0,516 0, S k 3 )

14 Trójwymiarowa konsolidacja warstwy ściśliwej pionowymi sączkami piaskowymi D D De d D Scemat rozmieszczenia sączków piaskowyc

15 W obliczeniac konsolidacji trójwymiarowej przyjmuje się, Ŝe wodoprzepuszczalność sączków jest nieskończenie duŝa. Z kolei czynniki czasowe T v i T oblicza się według wzorów: T v k M t M t v 0 T 0 γ 2 2 w γ ( D d) w e k gdzie: D e średnica cylindra równowaŝnego foremnemu graniastosłupowi sześciokątnemu, d średnica sączka pionowego, miąŝszość osuszonej i konsolidowanej warstwy ograniczonej od dołu gruntem nieprzepuszczalnym, k v współczynnik filtracji w kierunku pionowym, k - współczynnik filtracji w kierunku poziomym.

16 W literaturze [m.in. Wiłun 2003, Pisarczyk 2005] przedstawione są nomogramy umoŝliwiające szybkie wyznaczenie średniego ciśnienia wody w porac gruntu jako funkcji T i T v w zaleŝności od stosunku D e /d. Przy nieduŝym rozstawie drenów 1 4 m oraz przy k k v decydujący wpływ na przebieg procesu konsolidacji ma przepływ wody w kierunku poziomym [Pisarczyk 2005], co w wielu przypadkac pozwala pominąć w obliczeniac zagadnienie pionowego przepływu wody.

17 Literatura: Atkinson J An introduction to te macanics of soils and foundations. Troug critical state soil mecanics. McGraw-Hill Book Company Europe, London, England. Bolt A., Cicy W., Topolnicki M., Zadroga., Mecanika gruntów w zadaniac. Przykłady obliczeń i wybrane materiały pomocnicze. Politecnika Gańska. Wydawnictwo Politecniki Gdańskiej. JeŜ J Gruntoznawstwo budowlane. Wydawnictwo Politecniki Poznańskiej, Poznań. Molisz R., Baran L., Werno M., Posadawianie nasypów na gruntac organicznyc metodą wstępnej konsolidacji. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności. Pisarczyk S GeoinŜynieria. Metody modyfikacji podłoŝa gruntowego. Oficyna Wydawnicza Politecniki Warszawskiej, W-wa. Wiłun Z Zarys geotecniki. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, W-wa.