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
[2]
VKG – Nenasycené zeminy
17.4.2012
3
Úvod
Proč je to důležité – historicky zájem o “expanzivní” zeminy
Cyklické změny objemu podle Sr
[2]
VKG – Nenasycené zeminy
17.4.2012
4
Úvod
Proč je to důležité – hutněné zemní konstrukce z definice
nenasycené (Sr < 1)
VKG – Nenasycené zeminy
17.4.2012
5
Úvod
Proč je to důležité – reziduální zeminy jsou zpravidla od počátku
nenasycené (Sr < 1)
Podobně výsypky – z počátku nenasycené
VKG – Nenasycené zeminy
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
VKG – Nenasycené zeminy
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<uw
[2]
VKG – Nenasycené zeminy
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)
[2]
VKG – Nenasycené zeminy
17.4.2012
11
Sání
...retenční čára (SWCC)
[2]
VKG – Nenasycené zeminy
17.4.2012
12
Sání
Retenční čára (pF čára, SWCC)
Kapilární zóna
Trojfázová Suchá
Dvojfázová zemina zemina
zemina
[3]
VKG – Nenasycené zeminy
17.4.2012
13
Napjatost a pevnost saturované vs nesaturované zeminy
...napjatost v nenasycené zemině (pokud platí efektivní napětí...)
[2]
VKG – Nenasycené zeminy
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.
VKG – Nenasycené 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)
VKG – Nenasycené zeminy
17.4.2012
16
Efektivní napětí
.... Bishopova rovnice, Χ
VKG – Nenasycené zeminy
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
VKG – Nenasycené zeminy
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’)
VKG – Nenasycené zeminy
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’)
VKG – Nenasycené zeminy
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) )
VKG – Nenasycené zeminy
17.4.2012
0.55
24
Efektivní napětí
Dvě nezávislé proměnné pro napětí vs efektivní napětí – pevnost – CID rekonstituované výsypkové zeminy
VKG – Nenasycené zeminy
17.4.2012
25
Efektivní napětí
Dvě nezávislé proměnné pro napětí vs efektivní napětí – pevnost – CID rekonstituované výsypkové zeminy
VKG – Nenasycené zeminy
17.4.2012
26
Efektivní napětí
Dvě nezávislé proměnné pro napětí vs efektivní napětí – pevnost – neporušené vzorky reziduální zeminy
VKG – Nenasycené 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”
VKG – Nenasycené zeminy
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
VKG – Nenasycené zeminy
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')
[1]
VKG – Nenasycené zeminy
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
VKG – Nenasycené zeminy
17.4.2012
42
STABILITA NÁSYPU
VKG – Nenasycené zeminy
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
VKG – Nenasycené zeminy
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?)
[1]
VKG – Nenasycené zeminy
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).
VKG – Nenasycené zeminy
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.
VKG – Nenasycené zeminy
17.4.2012
51