Wpływ cyklicznego obciążania na wytrzymałość gruntu stabilizowanego cementem badania wstępne

Transkrypt

1 BRZEZIŃSKI Karol 1 ADAMCZEWSKI Grzegorz 2 JÓZEFIAK Kazimierz 3 Wpływ cyklicznego obciążania na wytrzymałość gruntu stabilizowanego cementem baania wstępne WSTĘP Obciążenia cykliczne mają znaczący wpływ na właściwości konstytutywne materiałów. Zmianie mogą ulegać parametry mechaniczne takie jak mouł Younga czy wytrzymałość oraźna, bęące postawą o analiz granicznego stanu użytkowalności, nośności lub wytrzymałości zmęczeniowej konstrukcji [1]. Po wpływem cyklicznego obciążenia w materiale następują przemiany, które mogą objawiać się w wojaki sposób. Parametry materiałowe mogą ulegać nie tylko egraacji, ale również polepszeniu. Szczególnie interesujące jest zjawisko przyrostu wytrzymałości oraźnej w skutek cyklicznego obciążenia, zaobserwowane zarówno w przypaku stopów metali, betonów jak i gruntów związanych cementem [2, 3, 4]. Przyrost wytrzymałości oraźnej materiału może mieć wpływ na trwałość zmęczeniową [3]. Stosowane otychczas formuły zmęczeniowe nie uwzglęniają zmiany parametrów materiałowych w procesie eksploatacji konstrukcji. Propozycja ilościowego ujęcia tego zaganienia została przestawiona w tym roku przez polskich autorów [5], na przykłazie oceny wpływu historii obciążenia na trwałość zmęczeniową gruntów związanych cementem. Postawą o prognozy trwałości zmęczeniowej, z wykorzystaniem wyżej wymienionej metoy, jest znajomość mechanicznych parametrów mieszanek, takich jak wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu oraz przebiegu ich zmian w skutek cyklicznego obciążenia. W celu weryfikacji metoy należy przeprowazić baania trwałości zmęczeniowej i zmiany wytrzymałości oraźnej gruntów związanych cementem. Niniejsza praca zawiera opis wstępnych baań w zakresie zmian wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu piasku związanego cementem po wpływem niskocyklicznego obciążenia. 1 WPŁYW HISTORII OBCIĄŻENIA NA TRWAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWĄ Znane są liczne obserwacje otyczące wpływu obciążeń cyklicznych na wytrzymałość oraźną różnych materiałów inżynierskich [2, 3, 4]. Stwierzono również, że zmiana wytrzymałości oraźnej może mieć wpływ na tempo przyrostu szkoy zmęczeniowej, a co za tym izie również na trwałość zmęczeniową. Hipoteza pozwalająca powiązać ze sobą powyższe zjawiska w sposób ilościowy została przestawiona i szczegółowo opisana w pracy Brzezińskiego i Zbiciaka [5]. Ze wzglęu na silny związek prowazonych baań z wyżej wymienioną hipotezą, poniżej zostaną przestawione jej postawowe założenia wraz z objaśnieniami: Założenie 1. Wytrzymałość oraźna (statyczna) materiału może zwiększać się w wyniku poania go ziałaniu obciążeń cyklicznych. Założenie 2. Konstrukcja po wpływem jenego cyklu obciążenia oznaje jenostkowej szkoy trwałości zmęczeniowej, zależnej o oraźnego stopnia wytężenia konstrukcji, gzie oraźny stopień wytężenia oznacza stosunek zaanego obciążenia o wytrzymałości oraźnej [5]. Zawarte w założeniach pojęcia zefiniowano w następujący sposób: R wytrzymałość oraźna największe obciążenie, jakie jest w stanie przenieść materiał w statycznej próbie wytrzymałościowej (na potrzeby niniejszych rozważań nie określa się rozaju próby wytrzymałościowej ani jenostek wytrzymałości), 1 Politechnika Warszawska, Wyział Inżynierii Ląowej; Warszawa; Al. Armii Luowej 16. Tel: , karol.brze@gmail.com 2 Politechnika Warszawska, Wyział Inżynierii Ląowej, Instytut Inżynierii Buowlanej; Warszawa; Al. Armii Luowej 16; Tel.: , g.aamczewski@il.pw.eu.pl 3 Politechnika Warszawska, Wyział Inżynierii Ląowej, Instytut Dróg i Mostów; Warszawa; Al. Armii Luowej 16; Tel.: , Fax: , k.jozefiak@il.pw.eu.pl 2309

2 R n nominalna wytrzymałość oraźna jest to wytrzymałość oraźna próbki prze wzmocnieniem w skutek cyklicznego obciążenia, S n nominalny stopień wytężenia, stosunek obciążenia ziałającego na próbkę o jej wytrzymałości nominalnej R n, S oraźny stopień wytężenia, stosunek obciążenia ziałającego na próbkę o jej wytrzymałości oraźnej R, jenostkowa szkoa trwałości zmęczeniowej wartość szkoy zmęczeniowej, jakiej oznaje próbka w skutek jenego cyklu obciążenia. W oniesieniu o hipotezy Palmgrena-Minera, bez uwzglęnienia przyrostu wytrzymałości oraźnej, szkoa jenostkowa bęzie wartością stałą wynoszącą: 1 (1) N gzie: N trwałość zmęczeniowa liczba cykli obciążeń zmęczeniowych wywołujących zniszczenie próbki. Stosując się o niniejszej hipotezy całkowitą szkoę zmęczeniową (D) można obliczyć na postawie wzoru: D N i1 ( ) (2) Stosowanie powyższych założeń wymaga znajomości przebiegu zmian wytrzymałości oraźnej w procesie cyklicznego obciążania. Ponieważ to zjawisko nie jest ostatecznie obrze poznane, Autorzy niniejszej pracy pojęli próbę jego zbaania. W alszej części referatu opisano wyniki uzyskane na wstępnym etapie pracy oraz wnioski z przeprowazonej analizy. 2 OPIS PRZEPROWADZONYCH BADAŃ 2.1 Zakres baań Głównym celem baań jest opis zmian wytrzymałości oraźnej gruntów związanych cementem po wpływem cyklicznego obciążenia. Wyniki znają zastosowanie w nowej metozie określania wytrzymałości zmęczeniowej, uwzglęniającej wpływ historii obciążenia [5]. Celem przeprowazonych o tej pory wstępnych baań było sprawzenie zaproponowanej proceury baawczej. Autorom nie uało się znaleźć w literaturze opisów ani wyników baań ukierunkowanych na określenie zmian wytrzymałości oraźnej gruntów związanych cementem po wpływem cyklicznego obciążenia. Dlatego konieczne było przeprowazenie baań wstępnych pozwalających na weryfikację zastosowanej metoyki a w szczególności: zastosowanych materiałów; sposobu przygotowania i pielęgnacji próbek; charakterystyki obciążeń (zakres, częstotliwość oraz ilość); użytej aparatury baawczej. W niniejszej pracy przestawiony zostanie opis przygotowanie próbek oraz wyniki baań wytrzymałościowych i wynikające z nich główne wnioski. 2.2 Przygotowanie próbek Zastosowana metoyka baawcza wymagała przygotowania próbek o jak najbarziej jenoronych właściwościach. Niezbęne było zaprojektowanie opowieniego skłau, sposobu formowania i pielęgnacji próbek. Przygotowanie próbek zostało przeprowazone w następujących etapach: baanie wilgotności optymalnej mieszanki metoą Proctora; przygotowanie mieszanki i uformowanie próbek; pielęgnacja próbek; rozformowanie próbek; S i 2310

3 wstępny test proceury baawczej; zasaniczy test proceury baawczej; uzupełniający test proceury baawczej Zastosowane materiały Przygotowana mieszanka skłaała się z piasku kwarcowego o uziarnieniu o 1 mm oraz cementu III/A32,5N-LH/HSR/NA. Zawartość cementu w stosunku o masy piasku wyniosła 10%. Zastosowany cement charakteryzuje się powolnym narastaniem wytrzymałości początkowej i niskim ciepłem hyratacji (poniżej 270 j/g), co minimalizuje prawopoobieństwo powstania spękań skurczowych w trakcie wiązania mieszanki. Ponato zastosowano woę woociągową w ilości potrzebnej o osiągnięcia wilgotności optymalnej, określonej uprzenio w próbie Proctora Określenie wilgotności optymalnej Wilgotność optymalna gruntu jest to wilgotność, przy której grunt można poać najbarziej efektywnemu procesowi zagęszczania [6]. Jest oznaczana w laboratoryjnym lub terenowym baaniu zagęszczania. Baanie polega na ubijaniu gruntu w trzech lub w pięciu warstwach w cylinrycznym pojemniku o unormowanych wymiarach. Każa warstwa jest zagęszczana poprzez opowienią ilość uerzeń ubijaka spaającego swobonie z określonej wysokości. Ilość uerzeń na warstwę, wysokość spaku, masa ubijaka, ilość warstw oraz objętość formy są tak obrane, aby otrzymać założoną wartość energii zagęszczania na jenostkę objętości gruntu w cylinrze. Energia ta różni się w zależności o wyajności i rozaju maszyn buowlanych zagęszczających konstrukcję buowlaną. Oprócz wilgotności optymalnej, baanie zagęszczenia gruntu w laboratorium, ostarcza informacji o maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego możliwej o uzyskania przy anej energii zagęszczenia oraz relacji pomięzy tą gęstością, a wilgotnością gruntu. W niniejszej pracy należało określić wilgotność optymalną mieszaniny piasku robnego i cementu, aby możliwe było opowienie zagęszczenie próbek wykorzystywanych później w próbie wytrzymałościowej. W tym celu wykonano test weług proceury opisanej w [7]. Przeprowazono stanarowy test Proctora [6, 8] przewiziany la mieszanek w 100% przechozących przez sito o śrenicy oczka 16 mm. Przygotowano próbkę mieszanki o 10% zawartości cementu. Energia zagęszczania na jenostkę objętości mieszanki wyniosła 0,596 J/cm 3. Wyniki baania, w postaci zależności gęstości objętościowej szkieletu gruntowego o wilgotności, przestawiono na rysunku 1. Współrzęne maksimum krzywej wyrysowanej linią ciągłą wskazują wilgotność optymalną oraz maksymalną gęstość objętościową szkieletu gruntowego. Linia przerywana opisuje stan całkowitego nasycenia porów woą ( ). Krzywą tą otrzymuje się z równania wyrażającego funkcję gęstości objętościowej szkieletu gruntu przy stałej zawartości porów wypełnionych powietrzem: Va 1 ( w) 100 (3) 1 w s 100 w którym należy założyć V a = 0 %, gzie: V stosunek objętości porów wypełnionych powietrzem o całkowitej objętości gruntu [%], a gęstość objętościowa szkieletu gruntowego [g/cm 3 ], s gęstość właściwa szkieletu gruntowego [g/cm 3 ], w wilgotność gruntu. W obliczeniach w (3) przyjęto ρ s = 2,65 g/cm 3. Z wykresu przestawionego na rysunku 1 oczytano następujące wyniki: w 8,3% wilgotność optymalna gruntu, opt 2311

4 max g 1,979 maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego. 3 cm Rys. 1. Wyniki baania wilgotności optymalnej mieszanki piasku robnego i cementu Formowanie i pielęgnacja próbek Wzorując się na typowych baaniach wytrzymałości zmęczeniowej gruntów związanych cementem [2] przyjęto, że testy zostaną przeprowazone na próbkach prostopałościennych poanych zginaniu. Z jenego zarobu o opisanych wyżej parametrach uformowano 27 próbek o wymiarach 4x4x16 cm. Ze wzglęu na nieużą liczbę próbek piasek i cement mieszano ręcznie o uzyskania jenolitej konsystencji. Następnie stopniowo oawano woę aż o osiągnięcia wilgotności optymalnej wynoszącej 8,3%. Fot. 1. Mieszanka cementu i piasku prze oaniem woy. Próbki zagęszczano ręcznie w 3 warstwach. Energia zagęszczania pochoząca, ze spaku obciążenia ruchomego o masie 1003 g z wysokości 48 cm, przekazywana była za pośrenictwem próbki z betonu o wysokiej wytrzymałości o wymiarach 4x4x8 cm. Każa warstwę zagęszczono poprzez 15 uerzeń, po 5 uerzeń w każym położeniu próbki (wa skrajne i jeno centralne). Uformowane w ten sposób próbki przechowywano w wilgotnym piasku przez 48 gozin, następnie rozformowano i poano pielęgnacji przez kolejne 28 ni. 2312

5 Fot. 2. Pielęgnacja próbek poprzez przechowywanie w wilgotnym piasku wewnątrz foliowego worka. 2.3 Opis i wyniki przeprowazonych baań Cykliczne obciążenia i próby wytrzymałościowe realizowane były za pomocą maszyny wytrzymałościowej INSTRON 5567 z przystawką o trzypunktowego zginania, weług następującego schematu: a) pomiar wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu próbek bez wstępnego obciążenia cyklicznego, b) określenie śreniej wytrzymałości oraz obranie poziomu obciążenia cyklicznego, c) nisko-cykliczne obciążenie próbek (o 50 o 150 cykli), ) pomiar wytrzymałości próbek poanych wstępnemu obciążeniu. Baania przeprowazono w trzech etapach: po 15, 30 i 38 niach wiązania. Poczas wstępnych testów, wykonanych po 15 niach wiązania, wszystkie próbki zostały zniszczone jeszcze w proceurze cyklicznego obciążenia, jenak przy zwiększonym poziomie naprężenia. Dlatego też informacje z pomiaru wykorzystano o oszacowania zmian wytrzymałości. W pozostałych przypakach orzucano próbki, zniszczone w trakcie cyklicznego obciążenia. Przykłaowy wykres ilustrujący obciążenie próbki w 50 cyklach przestawiono na rysunku 1. Rys. 2. Przebieg obciążenia cyklicznego na płaszczyźnie okształcenie-naprężenie. Ponieważ baania znajują się na wstępnym etapie, zebrano i przeanalizowano możliwie największą ilość anych, w celu wyciągnięcia wniosków otyczących zarówno proceury baawczej jak i charakterystyki baanego materiału. Jenak ze wzglęu na temat niniejszej pracy najistotniejsze są wyniki wytrzymałości na zginanie, latego alszą analizę ograniczono o uśrenionych wyników zestawionych w tabeli

6 Tab. 1. Zestawienie uśrenionych wyników baań la każego etapu Data baania Śrenia początkowa Liczba cykli wstępnego Śrenia wytrzymałość próbek Zmiana wytrzymałość [MPa] obciążenia [cykle] wstępnie obciążonych [MPa] wytrzymałości [%] ,22 3 1, , , , , , ,22 3 Jak wiać, największy przyrost wytrzymałości zaobserwowano przy najmniejszej liczbie wstępnych obciążeń. Może to być wywołane okłanością urzązenia pomiarowego i ostosowaniem próbki poczas wstępnego obciążenia, lub też być związane z trwałością zmęczeniową. W rugim przypaku należałoby przyjąć, że zjawisko przyrostu wytrzymałości oraźnej zachozi, w zależności o poziomu obciążenia i liczby cykli może być równoważone przez zmęczeniowe uszkozenia próbki. Zmniejszenie wytrzymałości oraźnej po 100 cyklach może świaczyć o obraniu zbyt użego poziomu obciążenia bliskiego granicy zmęczenia. Obserwacje, na postawie których ostrzeżono zmianę wytrzymałości oraźnej gruntów związanych otyczyły kilkuziesięciu tysięcy a nawet kilku milionów cykli [2]. W takim przypaku, stosując obciążenie poniżej granicy zmęczenia, można zaobserwować zmianę wytrzymałości na próbce nieosłabionej w skutek cyklicznego obciążenia. Niniejsze baania miały charakter nisko-cykliczny, zatem zmiany miały gwałtowny i truny o określenia przebieg. W kolejnych etapach należy przeprowazić baania wysoko-cykliczne. WNIOSKI W wyniku analizy przeprowazonej na postawie baań wstępnych wyciągnięto wnioski otyczące różnych obszarów wykonanych testów, mięzy innymi: zastosowanych materiałów Wykorzystany w baaniach grunt niespoisty (piasek) nie jest typowo stosowanym w stabilizacji gruntem. W związku z tym nastąpiły truności związane z obraniem stopnia obciążenia. Wbrew oczekiwaniom, wytężenie materiału na poziomie 60% powoowało zniszczenia zmęczeniowe już poniżej 100 cykli obciążeń. W przyszłości należy zastosować mieszankę o znanej charakterystyce zmęczeniowej, lub wykonać w tym kierunku oatkowe baania; sposobu przygotowania i pielęgnacji próbek Metoę przygotowania i pielęgnacji próbek uznano za właściwą. Wyniki pomiaru wytrzymałości próbek prze obciążeniem wstępnym były barzo zbliżone (ochylenie stanarowe o wartości mniejszej niż 8% śreniej wytrzymałości); charakterystyki obciążeń Przeprowazone testy materiałowe miały charakter nisko-cykliczny. Jak wyżej wspomniano nastąpiły truności związane z oborem poziomu wytężenia próbek. W związku z tym, liczba obciążeń była porównywalna z trwałością zmęczeniową, co sprawia truności w przeprowazeniu analizy. W kolejnym etapie baania należy uzupełnić o obciążenia wysoko-cykliczne; użytej aparatury baawczej Zgonie ze specyfikacją wykorzystanej maszyny wytrzymałościowej INSTRON 5567, posiaa ona parametry umożliwiające baania zarówno nisko- jak i wysoko-cykliczne. W trakcie baań zauważono jenak, że przy wzroście prękości obciążenia maleje jego okłaność, co ma barzo uży wpływ na uzyskiwane wyniki. Dlatego, zaleca się wykorzystanie aparatu INSTRON 5567 jeynie o realizacji obciążeń niskocyklicznych. Przeprowazone baania zostały przeprowazone la materiału o ściśle określonym skłazie. Ponato obejmowały niewielki zakres obciążeń i częstotliwości. Dlatego na ich postawie nie można wyprowazić funkcji uzależniających przebieg zmian wytrzymałości oraźnej o historii obciążenia. Natomiast zgonie z założeniami uało się wyciągnąć cenne wnioski otyczące metoyki przeprowazenia kolejnych etapów baań. 2314

7 Streszczenie Przemiotem niniejszej pracy są wstępne baania otyczące wpływu cyklicznego obciążania na wytrzymałość gruntu stabilizowanego cementem. Określenie przebiegu zmian wytrzymałości oraźnej w procesie cyklicznego obciążania jest kluczowe la weryfikacji nowej hipotezy zmęczeniowej, pozwalającej uwzglęnić wpływ historii obciążenia na trwałość zmęczeniową gruntów stabilizowanych. Dlatego też na początku referatu przestawiono postawowe założenia wyżej wymienionej hipotezy. W kolejnym rozziale przestawiono przebieg poszczególnych etapów baań. Ze wzglęu na niestanarowy sposób przygotowania próbek, użo uwagi poświęcono na jego opis. Właściwe testy przeprowazono na maszynie wytrzymałościowej INSTRON 5567, stosując różną liczbę cykli obciążeń wstępnych. W pracy przestawiono uśrenione wyniki baań wytrzymałości na zginanie przy rozciąganiu. W zależności o ługości okresu pielęgnacji próbek oraz liczby obciążeń wstępnych zaobserwowano efekt osłabienia bąź wzmocnienia materiału. Ponato wyciągnięto wnioski otyczące metoyki przeprowazenia kolejnych etapów baań. The impact of cyclic loaing on the strength of cement treate soil - preliminary stuy Abstract The paper eals with preliminary stuies concerning the impact of cyclic loaing on the strength of cement treate soil. The evaluation of the resilient strength changes in the cyclic loaing is essential for verification of the new hypothesis of fatigue, which allows to take into account the impact of loa history on fatigue life of stabilize soil. Thus, at the beginning of the paper the basic assumptions of the above-mentione hypothesis are presente. The next chapter presents the iniviual steps of the stuy. Due to the customize metho of specimen preparation, much attention has been evote to its escription. Appropriate tests were carrie out using the machine INSTRON 5567, applying various number of preloaing cycles. The paper presents the average results of the bening strength uner tension. Depening both on the length of the care perio as well as the number of preloaing cycles a weakening effect of material strengthening was observe. Moreover, conclusions concerning the methoology to carry out the next stages of research were formulate. BIBLIOGRAFIA 1. Zbiciak A., Brzeziński K., Porównanie proceur projektowania nawierzchni poatnych i półsztywnych na postawie starego i nowego polskiego katalogu typowych konstrukcji, Teoretyczne postawy buownictwa. Vol. 3, s , Konstrukcje inżynierskie, Oficyna Wyawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, Koba H.: Trwałość Nawierzchni rogowych o pobuowach związanych cementem. Oficyna Wyawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, Xi L. Songlin Z.: Strengthening an amaging uner low-amplitue loas below fatigue limit. International Journal of Fatigue, Vol. 31, Issue 2, February 2009, pp Oh H. B.: Cumulative amage theory of concrete uner variable-amplitute fatigue loaings. ACI Materials Journal, Vol. 88, No. 1, January-February Brzeziński K., Zbiciak A., Wpływ historii obciążenia na trwałość zmęczeniową gruntów związanych cementem. Drogownictwo Vol. LXIX, No. 9/2014, September 2014, pp Hea K. H., Manual of Soil Laboratory Testing. Vol. 1, PENTECH PRESS, Lonon, PN-EN , Mieszanki niezwiązane i związane spoiwem hyraulicznym. Część 2: Metoy określania gęstości i zawartości woy. Zagęszczenie metoą Proctora, PKN, Warszawa, Proctor, R. R., Funamental principles of soil compaction, Engineering News Recor, Vol. 111, No. 9,