Konsolidierungsprozess der Deformation von Böden
Immer wenn eine Bodenmasse beansprucht wird, verformt sie sich. Die Verformung kann entweder in Form einer Verformung oder einer Volumenänderung der Bodenmasse erfolgen. Da in einer natürlichen Lagerstätte die Bodenmasse allseitig begrenzt ist, kann die Form nicht verändert werden, dh es ist keine Bodenverformung möglich. Die einzige Möglichkeit ist die Änderung des Volumens, dh die Kompression des Bodens.
Beim Laden eine Bodenkompresse aufgrund von:
(i) Kompression fester Körner
(ii) Kompression von Porenwasser und Luft
(iii) Austreiben von Wasser und Luft aus dem Boden der Bodenmasse. Bei typischen Konstruktionslasten ist die Verdichtung von Bodenfeststoffen und Gießwasser vernachlässigbar.
Daher tragen die Kompression für Luft und der Ausstoß von Luft und Wasser aus den Hohlräumen den größten Teil der Volumenänderung des beladenen Bodens bei. Diese Volumenänderungen können durch zwei verschiedene Prozesse hervorgehoben werden. Verdichtung und Konsolidierung
Verdichtung:
Die Verdichtung ist der Prozess, bei dem die Bodenteilchen durch mechanische Mittel enger zusammengepackt werden, dh durch dynamische Belastung wie Walzen, Stauchen und Vibration usw. Dies wird durch die Verringerung der Luftporen erreicht. Der Wassergehalt ist gering oder gar nicht reduziert.
Konsolidierung:
Konsolidierung ist der Prozess, bei dem Bodenteilchen über einen längeren Zeitraum unter fortwährendem Druck dichter zusammengepackt werden, dh statischer Belastung. Dies wird hauptsächlich durch allmähliches Abfließen von Wasser aus den Bodenporen erreicht. Konsolidierung tritt bei gesättigten oder nahezu gesättigten Tonen oder anderen Böden mit geringer Permeabilität auf.
Konsolidierungstest:
Um die Verfestigungssiedlung im Boden vorherzusagen, müssen wir die Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften (dh die Beziehung zwischen dem effektiven Druck und dem Hohlraumverhältnis) des Bodens kennen. Dazu gehört normalerweise, dass die Bodenprobe im Labor mit einer Reihe von Belastungen beladen wird und die entsprechenden Siedlungen gemessen werden. Dieser Test wird als Konsolidierungstest bezeichnet. Das Testgerät wird als Consolidometer bezeichnet.
Abb. 6.1 (a) und (b) zeigen den Aufbau des Konsolidometers mit festem Ring und schwebendem Ring. Bei dem Typ mit festem Ring kann sich nur der obere poröse Stein nach unten bewegen, während sich beim schwimmenden Ring sowohl der obere als auch der untere poröse Stein frei bewegen können. Die Permeabilität der Probe kann in jedem Belastungszustand nur im Typ mit festem Ring gemessen werden. Die Kompression der Probe wird mit einer Messuhr gemessen, die an der Ladekappe angebracht ist. Die Probe kann sich unter einer Anzahl von vertikalen Druckstufen wie etwa 0, 1, 0, 2, 0, 5, 1, 2, 4, 8 und 10 kg / cm² verfestigen.
Die Wahl des Vertikaldrucks hängt hauptsächlich vom erwarteten Standortdruck ab, einschließlich Überlastungsdruck. Bei herkömmlichen Tests wird ein Lastinkrement-Verhältnis (LIR) von Eins verwendet. LIR of unit bedeutet, dass die Last jedes Mal verdoppelt wird. Jeder Druckschritt wird 24 Stunden lang aufrechterhalten. Die Probe verfestigt sich mit freier Drainage von der Ober- und Unterseite. Messuhren werden nach 30 Sekunden, 1, 2, 4, 8, 15, 30 Minuten, 1 Stunde, 2, 4, 8 und 24 Stunden angezeigt.
Wenn die Verdichtung unter dem Enddruck abgeschlossen ist, wird die Probe entlastet und quellen gelassen. Die Ergebnisse werden in einem halb logarithmischen Graphpapier mit einem auf die Abszisse aufgebrachten Druck auf die logarithmische Skala und dem entsprechenden Hohlraumverhältnis als Ordinate auf linearer Skala dargestellt. Das den jeweils angewendeten LIR-Werten entsprechende Hohlraumverhältnis ist definiert, da der Druck aus den Messwerten der Meßuhr berechnet werden kann und das Trockengewicht der Probe am Ende des Tests genommen wird.
Bestimmung des Hohlraumverhältnisses durch Trockengewichtsverfahren:
Dieses Verfahren ist sowohl für gesättigte als auch für teilgesättigte Proben anwendbar.
Sei M s = Trockenmasse der Probe am Ende des Tests
A = Fläche der Probe
G = sp. Schwerkraft des Bodens
Dann wird die äquivalente Dicke des Bodenkörpers 'H S ' wie folgt berechnet:
Kompressionskurven, die aus einem Konsolidierungstest einer Tonprobe erhalten werden können, sind in Abbildung 6.3 dargestellt.
Nach der Verfestigung der Probe bis zum Druckpunkt Q kann sich die Probe durch Druckabnahme ausdehnen. Während der Ausdehnung kehrt die Probe aufgrund einer dauerhaften Kompression nie zu ihrem ursprünglichen Volumen zurück. Beim erneuten Laden wird eine Rekompressionskurve RS erhalten.
Wenn der vorherige Druck, der dem Punkt 0 entspricht, erreicht ist, weist die Rekompressionskurve einen geringfügig niedrigeren Hohlraumanteil auf. Der Test wird fortgesetzt, indem der Druck weiter erhöht wird. Die resultierende Kurve ist mehr oder weniger die Ausdehnung des Anfangsabschnitts PQ. Abbildung 6.3 (b) zeigt die Auftragung des effektiven Drucks im Verhältnis zum Hohlraumvolumen auf Halbloggrafapapier. Die geraden Abschnitte P 1 Q 1 und S 1 T 1 auf beiden Seiten von O 1 werden als jungfräuliche Kompressionskurve bezeichnet.
Kompressionskoeffizient:
Der Kompressibilitätskoeffizient 'a V ' ist definiert als die Abnahme des Hohlraumanteils pro Druckanstiegseinheit.
wobei e 0 und e die Hohlraumverhältnisse am Anfang und am Ende der Konsolidierung unter dem Druckinkrement ∆σ 'sind. Das negative Vorzeichen zeigt an, dass e mit zunehmendem σ abnimmt.
Volumen-Kompressionskoeffizient (m V )
[Volumen der Volumenänderung]
Der Volumenänderungskoeffizient ist die Änderung des Volumens eines Bodens pro Einheit des Anfangsvolumens pro Einheit des Druckanstiegs. Die Einheit von m v ist die gleiche wie von v
Wenn der Boden seitlich eingeschlossen ist, ist die Änderung des Volumens proportional zur Änderung der Dicke ∆H und das Anfangsvolumen ist proportional zu der Anfangsdicke H 0 . Daher gilt Gl. (i) wird
mv = ∆H / H 0 - 1 / ∆σ
Änderung der Dicke, ∆H aufgrund des Druckanstiegs ist gegeben durch
∆H = - m v H o ∆σ
Kompressionsindex (c c )
Es ist die Steigung des linearen Abschnitts von e vs. log σ und ist dimensionslos.
Für den linearen Teil der Kurve:
Konsolidierungskoeffizient:
Es ist das Verhältnis zwischen dem Permeabilitätskoeffizienten und dem Produkt aus Volumenänderungskoeffizient und Gewichtseinheit Wasser. Es wird als cv = K / m v γ w bezeichnet
wobei K = Permeabilitätskoeffizient
γw = Einheitsgewicht Wasser
C v = Konsolidierungskoeffizient
m V = Volumenänderungskoeffizient
Der Konsolidierungskoeffizient ist ein Indikator für den kombinierten Effekt von Kompressibilität und Durchlässigkeit des Bodens auf die Volumenänderungsrate.
Der Konsolidierungskoeffizient kann auch aus der unten angegebenen Beziehung berechnet werden.
Tv = cvt / d2
Dabei ist T v = Zeitfaktor, der vom Konsolidierungsgrad abhängt
t = Zeit für die Konsolidierung
d = Entwässerungspfad, für Doppelentwässerungsbedingungen d = H / 2
Da Tv für einen gegebenen Konsolidierungsgrad und gegebene Randbedingungen des betrachteten Problems konstant ist, ist die Zeit, die erforderlich ist, um einen bestimmten Konsolidierungsgrad "U" zu erreichen, direkt proportional zum Quadrat seines Entwässerungspfads und umgekehrt proportional zum Koeffizienten von Konsolidierung. Für einen gegebenen Boden bei einem gegebenen Hohlraumverhältnis steigt c v mit zunehmender Stärke des Verfestigungsdrucks.
Konsolidierung des ungestörten Bodens:
Je nach Konsolidierungshistorie können Bodenvorkommen in drei Klassen unterteilt werden:
(i) Vorverfestigungsboden oder überverfestigungsboden.
(ii) Normalerweise fester Boden.
(iii) Unter festem Boden.
(1) vorverfestigter Boden:
Es wird gesagt, dass ein Ton vorverfestigt wird, wenn er immer einem Druck ausgesetzt wurde, der höher ist als der gegenwärtige Überlastungsdruck.
Ein Boden kann durch die jetzt nicht mehr vorhandene strukturelle Belastung oder durch das Gewicht einer weggeschmolzenen Eisplatte vorverfestigt worden sein.
(ii) Normalerweise fester Boden:
Der Boden, der noch nie einem effektiven Druck ausgesetzt war, der höher als der gegenwärtige Abraumdruck ist, wird als normal konsolidierter Boden bezeichnet. Durch den vorhandenen Abraumdruck wird der Boden vollständig verfestigt.
(iii) unter verdichtetem Boden:
Der Boden, der durch den vorliegenden Überlastungsdruck nicht vollständig verfestigt ist, wird unter verfestigtem Boden bezeichnet.
Over Consolidation Ratio (OCR):
Es ist das Verhältnis des Vorverfestigungsdrucks zum aktuellen effektiven Überlastungsdruck.
OCR = Vorverdichtungsdruck / Überlastungsdruck
OCR> 1 zeigt einen normal konsolidierten Ton an.
Und OCR> 1 zeigt einen überverfestigten Ton an
Faktoren, die die Konsolidierung beeinflussen:
Die Faktoren, die die Konsolidierung beeinflussen, sind:
(a) Dicke der Tonschicht
(b) Nummer des Abflussweges
(c) Durchlässigkeitskoeffizient
(d) Konsolidierungskoeffizient
(e) Größe des Verfestigungsdrucks und die Art seiner Verteilung über die Dicke der Schicht.
(f) Zeitfaktor
(a) Dicke der Tonschicht:
Wenn die Dicke größer ist, wird die Verfestigung der Schicht aufgrund des Überlastungsdrucks stärker.
(b) Anzahl der Entwässerungswege:
Der Abflusspfad stellt die maximale Entfernung dar, die die Wasserpartikel zurücklegen müssen, um die freie Abflussschicht zu erreichen. Wenn der Abflussweg mehr als die Wegstrecke der Wasserpartikel ist, wird die Proportionalität verringert, und Wasser tritt wiederum aus der Bodenschicht aus, was eine Verfestigung verursacht. Je mehr der Entwässerungspfad, desto mehr wird die Konsolidierung sein.
(c) Permeabilitätskoeffizient:
Wenn der Durchlässigkeitskoeffizient des Bodens größer ist, tritt Wasser leichter aus den Bodenporen aus und folglich wird die Verfestigung stärker.
(d) Konsolidierungskoeffizient:
Der Konsolidierungskoeffizient ist direkt proportional zum Konsolidierungsgrad. Wenn also der Konsolidierungskoeffizient größer ist, wird die Konsolidierung des Bodens stärker sein.
(e) Größe des konsolidierenden Drucks und seiner Verteilung:
Die Konsolidierung des Bodens wird stark durch den Konsolidierungsdruck und seine Verteilung beeinflusst. Wenn der Konsolidierungsdruck größer ist und gleichmäßig über die Fläche verteilt ist, wird die Konsolidierung stärker sein.
(f) Zeitfaktor:
Aus der Konsolidierungsgleichung, dh Tv = Cvt / d2, wird deutlich, dass der Konsolidierungskoeffizient (Cv) direkt proportional zum Zeitfaktor (T V ) ist. Wenn der Zeitfaktor mehr Konsolidierung ist, wird mehr.
Gesamtsumme:
Die totale Kompression einer gesättigten Bodenschicht über einen langen Zeitraum unter statischer Belastung wird Totalsiedlung genannt. Es wird mit S bezeichnet.
S = Si + S c + S s
S i = sofortige Abrechnung
Sc = Konsolidierungsabrechnung oder Primärabrechnung
Ss = sekundäre Abrechnung
Sofortige Abrechnung:
Es ist der Teil der Abrechnung, der unmittelbar nach dem Aufbringen der Ladung erfolgt. Dies ist hauptsächlich auf das sofortige Zusammendrücken der Bodenschicht unter ungeübten Bedingungen zurückzuführen. Die Sofortabrechnung ist im Vergleich zur Erstabrechnung sehr gering.
Konsolidierungsabrechnung bei Primärabrechnung:
Es ist der Teil der Siedlung, in dem Porenwasser aus den Hohlräumen der Böden ausgestoßen wird. Dieser Vorgang führt zu einer Verringerung des Volumens an Hohlräumen.
Die Konsolidierungsabrechnung Sc kann nach einer der folgenden Methoden berechnet werden:
(i) Basierend auf dem Volumenänderungskoeffizienten ist m v
Die Abwärtsbewegung der Oberfläche der Konsolidierungsschicht wird als Konsolidierungsabrechnung bezeichnet. Diese Bewegung ist darauf zurückzuführen, dass das Volumen einer gesättigten Bodenmasse unter der aufgebrachten Last abnimmt.
Sekundärabrechnung:
Dies liegt an der Partikelorientierung, dem Kriechen und der Zersetzung organischer Materialien. Es ist kein Ausstoß von Porenwasser erforderlich. Die sekundäre Besiedlung ist in Sand und Kies vernachlässigbar, kann jedoch bei hochplastischem Ton, organischen Böden und Sanitärfüllungen von Bedeutung sein.
Einheitliche Abrechnung:
Wenn sich die Bodenmasse unter einer Struktur durchgehend gleichmäßig komprimiert, ist die Besiedlung der Struktur gleichmäßig. Es wird als einheitliche Abrechnung bezeichnet. Das Liniendiagramm (Abb. 6.6) zeigt den Zustand der Struktur vor der Abrechnung und die gestrichelte Linie den Zustand nach der Abrechnung.
Wenn ein Bauwerk ein starres Fundament hat, wird es einer einheitlichen Besiedlung unterzogen.
Differenzielle Abrechnung:
Abbildung 6.8 zeigt einen Druckkolben mit einem vollkommen flexiblen, belasteten Bereich der Breite B. Der Wert der induzierten vertikalen Spannung unterhalb der Mittellinie eines belasteten Bereichs ist immer größer als sein Wert bei derselben Tiefe unterhalb der Kante des belasteten Bereichs. Aufgrund dieses Unterschieds der induzierten Spannung ist die Besiedlung eher in der Mitte als am Rand.
Da die Abrechnung ungleichmäßig ist, wird sie als Differenzabrechnung bezeichnet. Differenzielle Abrechnung ist der Unterschied in der Abrechnung zwischen zwei Stiftungen oder zwischen zwei Punkten einer einzigen Stiftung. Dies ist hauptsächlich auf Ungleichmäßigkeiten im Boden, unterschiedliche strukturelle Belastungen usw. zurückzuführen.
Abrechnungssatz:
Der Abrechnungssatz ist der Zeitpunkt, zu dem ein gewisser Prozentsatz der Gesamtabrechnung erfolgt.
Die Höhe der Abrechnung hängt von folgenden Faktoren ab:
(i) Dicke der Bodenschicht
(ii) Durchlässigkeit von Boden
(iii) Anzahl der Entwässerungsflächen
(iv) Größe der aufgebrachten Last.
Der Abrechnungssatz kann mit der Formel berechnet werden
(i) T = C v t / h 2
wobei T = Zeitfaktor ist
C v = Konsolidierungskoeffizient
h = Länge des längsten Abflussweges
Abrechnung aufgrund von Baumaßnahmen und Senkung des Wassertisches:
Das Ausheben des Bodens bewirkt eine Bewegung des umgebenden Bodens in Richtung des Aushubs, wodurch die Bodenoberfläche neben dem Aushub besiedelt wird. Die Siedlung kann fast doppelt so groß sein wie die Aushubtiefe um offene Ausgrabungen. Während des Tunnels kann es zur Ansiedlung der Bodenoberfläche über dem Tunnel kommen. Fundamente der in der betroffenen Zone vorhandenen Strukturen können sich verschieben, was zu einer Verkippung der Strukturen oder zur Bildung von Rissen in den Strukturen führt.
Um Schäden an benachbarten Gebäuden zu minimieren, wählt der verantwortliche Geotektoniker eine Aushubmethode, die die Bodenbewegung minimiert. Vor dem Tunnelbau werden Gründungsschutzmaßnahmen in Form von Injektionen des Bodens durchgeführt, die die Einwärtsbewegung des Bodens während des Tunnelbaus minimieren und die Oberflächenansiedlung reduzieren.
Lose, gesättigte und grobkörnige Böden werden durch Vibrationen, die während des Bauvorgangs erzeugt werden, verdichtet, was zu einem merklichen Absinken der Bodenoberfläche führt. Die Hauptquelle für Konstruktionsvibrationen sind Pfahlantrieb, mechanisches Graben, Sprengabbruch usw. Bis vor kurzem basierten die Schutzmaßnahmen auf der durch Schwingungen induzierten Spitzenpartikelgeschwindigkeit und deren Abnahme mit dem Abstand von der Quelle. Derzeit werden rationalere Richtlinien entwickelt.
Durch das Absenken des Wasserspiegels wird das effektive Gewicht der ursprünglich unter dem Wasserspiegel liegenden Bodenfläche erhöht, was sowohl in entwässerten Zonen als auch im darunter liegenden Boden zu erheblichen Ansiedlungen führen kann. Diese Erhöhung des effektiven Drucks bewirkt, dass sich lockerer Sand absetzt. In Lehmboden führt die Erhöhung des effektiven Drucks zu einer starken Besiedlung, da der Ton stark komprimierbar ist.
Schwung:
Die Aufwärtsbewegung des Bodens wird als Heben bezeichnet. Ein Höhenproblem tritt auf, wenn sich der Boden ausdehnt, weil der Druck begrenzt oder der Wassergehalt erhöht wird. Ein hohes Maß an Auftriebseigenschaften wird in ausgedehnten Böden beobachtet. Das Problem der Schwerkraft tritt besonders häufig in ariden Regionen auf. In solchen Gebieten trocknen und schrumpfen Böden während des trockenen Wetters und dehnen sich aus, wenn Feuchtigkeit verfügbar wird.
In Gebieten, in denen der Boden einfriert, gibt es aufgrund der Bildung von unterirdischem Eis Aufwärtsbewegungen im Boden, und dieses Phänomen wird als Frosthub bezeichnet.
Frosthub ist hauptsächlich auf folgende Gründe zurückzuführen:
(i) Wenn der Boden gefriert, dehnt sich das Gießwasser um etwa 9% und der Boden um 4% aus. Solche Hebungen sind ziemlich gleichmäßig und verursachen relativ wenig Schaden.
(ii) Wenn der Grundwasserspiegel hoch ist, kann die Kapillarwirkung Wasser in die gefrorene Zone ziehen, wo es Eislinien bildet (siehe Abbildung 6.11). Dieser Mechanismus kann große Wassermengen transportieren und Bodenkonturen von 12 Zoll oder mehr erzeugen. Solche Hebungen sind sehr unregelmäßig und können Tiefbauarbeiten stark beschädigen.
Schwereprobleme sind im Allgemeinen mit leichten Bauten wie kleinen Gebäuden, Straßenbelägen, Damm, Überlaufwegen usw. verbunden.
Schleich:
Kriechen ist die langsame und langfristige Bewegung von Böden in steilen Hängen. Die Bewegung liegt typischerweise in der Größenordnung von Millimetern pro Jahr. Sie tritt aufgrund der durch die Schwerkraft hervorgerufenen Abwärtsschubspannungen, Frostwirkung, Ausdehnung und Kontraktion von Ton auf. Wenn die Scherspannung in Ton etwa 70% der Scherfestigkeit übersteigt, beginnt eine langsame Scherbewegung oder ein Kriechen.
Einige Tone zeigen ein erhebliches Kriechen, wenn die Scherspannung etwa 50% der Scherfestigkeit übersteigt. Das Kriechen erstreckt sich bis zu einer Tiefe von 0, 3 bis 3 m, wobei die maximalen Verschiebungen an der Bodenoberfläche auftreten. Kurzfristig ist der Effekt des Kriechens in Strukturen unbedeutend, langfristig kann das Kriechen jedoch zu erheblichen Verzerrungen in auf solchen Böden gegründeten Strukturen führen. Aufgrund des Kriechens bewegt sich der Boden abwärts, wodurch ein Material entsteht, das dem Mutterboden unterlegen ist. Dieses Kriechverhalten ist einer der Gründe, warum in lehmigen Böden ein höherer Sicherheitsfaktor erforderlich ist.
