Leikkauslujuus (maaperän mekaniikka)

Leikkauslujuus C u on valumattomista laboratoriotuloksista (läpäisy-, rotaatioleikkaus-, kolmiakseliset testit) [1] johdettu arvo kuvaamaan leikkausjännitystä , jonka maa kestää.

Maaperän leikkausvastus C u on seurausta hiukkasten kitkasta ja koheesiosta sekä sementoinnista tai hiukkasten kosketuksissa tapahtuvasta sitoutumisesta. Hiukkasten tukkeutumisesta johtuen hiukkasmateriaalin tilavuus voi kasvaa tai pienentyä. Jos maaperän tilavuus kasvaa, hiukkasten tiheys ja lujuus pienenevät; huippulujuuden jälkeen leikkausjännitys vähenee (katso kuva). Jännitys/venymäsuhde on vakio, kun materiaali lakkaa laajenemasta tai supistumasta, ja myös silloin, kun hiukkasten väliset sidokset katkeavat. Teoreettista tilaa, jossa leikkausjännitys ja maan tiheys pysyvät vakiona leikkausjännityksen kasvaessa, kutsutaan kriittiseksi tilaksi tai jäännöslujuudelle.

Tilavuuden muutos ja hiukkasten välinen kitka riippuvat hiukkasten tiheydestä, rakeiden välisistä kosketusvoimista ja vähemmässä määrin muista tekijöistä, kuten leikkausnopeudesta ja leikkausjännityksen suunnasta.

Tyhjentämättömän leikkauksen aikana hiukkasten tiheys ei voi muuttua, mutta vedenpaine ja tehokas jännitys muuttuvat. Toisaalta, jos veden annetaan valua vapaasti huokosista, huokospaine pysyy vakiona ja tapahtuu valutettua leikkausta . Maaperä voi laajeta tai supistua vapaasti valutetun leikkauksen aikana. Todellisuudessa maaperä on osittain kuivattu, jossain täysin kuivaamattoman ja hyvin kuivatun välillä.

Maaperän leikkauslujuus riippuu käytetystä jännityksestä, kuivatusolosuhteista, hiukkastiheydestä, venymänopeudesta ja jännityksen suunnasta.

Vakiotilavuuksille tyhjentämättömälle leikkausleikkaukselle voidaan käyttää Trescan teoriaa leikkauslujuuden ennustamiseen, mutta valutettuihin olosuhteisiin voidaan käyttää Mohr-Coulombin teoriaa .

Kaksi tärkeää maaleikkausteoriaa ovat kriittisen tilan teoria ja vakaan tilan maateoria. Kriittisen tilan ja vakaan tilan välillä on keskeisiä eroja.

Maaperän leikkausvastusta säätelevät tekijät

Maaperän jännityksen ja venymän väliseen suhteeseen ja siten leikkauskestävyyteen vaikuttavat ( Poulos 1989 ):

  1. maaperän koostumus : mineralogia (vaikka se vaikuttaa rakeiden väliseen kitkaominaisuuksiin, useimpien luonnonhiekkojen osalta mineralogia muuttaa lujuutta hyvin kapealla alueella), hiukkaskokojakauma (hyvin lajitetulla maaperällä on suurempi leikkauskestävyys kuin homogeenisilla hiekoilla), hiukkasten muoto ( leikkauslujuus karkearakeinen maa, joka koostuu kulmikkaasta rakeesta on hieman suurempi kuin pyöreän jyvän), huokosnesteen tyyppi ja pitoisuus, ionit maapartikkeleissa ja huokosnesteessä . Kun maaperän tiheys kasvaa (huokoisuus tai tyhjyys vähenee), maaperän vastustuskyky kasvaa.
  2. alkutila : määräytyy alkuperäisen tyhjyyssuhteen , tehokkaan normaalijännityksen ja leikkausjännityksen perusteella (jännityshistoria). Tilaa voidaan luonnehtia seuraavilla termeillä: löysä, tiheä, ylikonsolidoitunut, normaalisti tiivistynyt, kova, pehmeä, kontraktuura, laajentava jne.
  3. rakenne: viittaa hiukkasten järjestykseen maaperässä; tapa, jolla hiukkaset pakataan tai jakautuvat. Ominaisuudet, kuten kerrokset, saumat, halkeamat, liukupinnat, aukot, taskut, injektointi jne. ovat osa rakennetta. Maaperän rakennetta kuvataan seuraavilla termeillä: häiriintymätön, häiriintynyt, muotoiltu uudelleen, tiivistynyt, sementoitunut; hiutaleinen , hunajakenno, yksijyväinen; flokkuloitu, deflokkuloitu; monikerroksinen, kerrostettu, laminoitu; isotrooppinen ja anisotrooppinen.
  4. Kuormausolosuhteet: valutettu ja tyhjentämätön; kuorman tyyppi, eli suuruus, nopeus (staattinen, dynaaminen) ja aikaominaisuus (monotoninen, syklinen).

Tyhjentämätön voima

Tämä termi kuvaa muunlaista leikkauslujuutta maaperän mekaniikassa kuin valutettua lujuutta.

Todellisessa elämässä ei ole olemassa sellaista asiaa kuin kuivaamaton maaperän vahvuus (kuten edellä mainittiin, maaperä luonnossa on valutetun ja kuivaamattoman välillä). Se riippuu useista tekijöistä, joista tärkeimmät ovat:

Tyhjentämätön lujuus määritellään yleensä Trescan teorialla , joka perustuu Mohrin ympyrään, seuraavasti:

σ 1 - σ 3 = 2 S u

Missä:

σ 1 - pääjännitys

σ 3 - pieni pääjännitys

- leikkauslujuus (σ 1 - σ 3 )/2

siksi leikkauslujuus on yhtä suuri kuin kuivaamattoman maan lujuus = S u (toinen merkintä c u ).

Kuivaamatonta maaperän lujuutta käytetään rajatasapainoanalyysissä, jossa kuormitusnopeus on paljon suurempi kuin nopeus, jolla maaperän leikkauksesta johtuva huokosveden paine voi haihtua. Esimerkki tästä on nopea hiekan kuormitus maanjäristyksen aikana tai savirinteen romahtaminen rankkasateen aikana, ja tämä koskee suurinta osaa rakentamisen aikana tapahtuvista tuhoista.

Tyhjentämättömän tilan seurauksena elastisia tilavuusmuodonmuutoksia ei tapahdu, ja siksi Poisson -suhteen oletetaan pysyvän 0,5:nä koko leikkauksen ajan. Treska-maamallissa oletetaan myös plastisten tilavuusmuutosten puuttumista. Tämä on tärkeää monimutkaisemmissa analyyseissä, kuten elementtimenetelmässä . Näissä kehittyneissä analyysimenetelmissä voidaan käyttää ei-turskamalleja, mukaan lukien Mohr-Coulomb-malli ja kriittiset maaperämallit, kuten muunnettu Cam-Clay-malli, mallintamaan kuivaamattomia olosuhteita, kunhan Poissonin suhde pysyy arvossa 0,5 .

Eräs ammatinharjoittajien laajalti käyttämä suhde on empiirinen havainto, että tyhjentämättömän leikkauslujuuden c u suhde alkuperäiseen lujitusjännitykseen p' on suunnilleen vakio tietyllä ylitiivistymissuhteella (OCR). Tämän suhteen formalisoivat ensin ( Henkel 1960 ) ja ( Henkel & Wade 1966 ), jotka laajensivat sen osoittamaan, että uudelleen muodostettujen savien jännitys-venymäominaisuudet voidaan myös normalisoida suhteessa alkuperäiseen lujitusjännitykseen. Vakiosuhde c u / p' voidaan johtaa myös maaperän kriittisen tilan teoriasta ( Joseph 2012 ). Tämä jännitys-venymäkäyrien perusominaisuus löytyy monista savista, ja sitä on parannettu empiirisellä SHANSEP-menetelmällä ( jännityshistoria ja normalisoidut maaperän tekniset ominaisuudet ). ( Ladd & Foott 1974 ).

Puristusindeksin C u ja plastisuusindeksin PI välinen suhde

Skempton ja Henkel esittivät muutoskäyrän plastisuusindeksistä PI, joka myöhemmin approksimoitiin lineaarisella yhtälöllä [2] [3] .

Purettu leikkauslujuus

Kuivattu leikkauslujuus on maaperän leikkauslujuus, jossa maaperän leikkauksen aikana syntyvä huokosnesteen paine voi haihtua leikkauksen aikana. Tämä pätee myös silloin, kun maaperässä ei ole huokosvettä (maa on kuiva) ja näin ollen huokosnesteen paine voidaan jättää huomiotta. Tämä ilmaistaan ​​yleensä Mohr-Coulombin yhtälöllä. ( Carl von Terzaghi vuonna 1942 kutsui sitä "Coulombin yhtälöksi.") ( Terzaghi 1942 ) yhdisti sen tehollisen jännityksen periaatteeseen.

Tehokkailla jännityksillä leikkauslujuus ilmaistaan ​​usein seuraavasti:

= σ' tan(φ') + c'

Missä σ' = (σ - u) määritellään tehollisena jännityksenä. σ on kokonaisjännitys, u on huokosveden paine.

φ' = tehollinen jännityskitkakulma tai "sisäisen kitkan kulma" Coulombin kitkan jälkeen . [4] Kitkakerroin on tan(φ'). Erilaisia ​​kitkakulman arvoja voidaan määrittää, mukaan lukien huippukitkakulma, φ' p , kriittinen kitkakulma, φ' cv tai jäännöskitkakulma, φ' r .

c' = ketjutus, joka johtuu yleensä siitä, että suora pakotetaan vastaamaan mitattuja arvoja ( ,σ'), vaikka data todella sopisi käyrään. Pystysuoran suoran koordinaattiakselin leikkauspisteen leikkausjännitysten akselilla on tartunta. On hyvin tunnettua, että tuloksena oleva leikkauspiste riippuu tarkasteltavasta jännitysalueesta: tämä ei ole maaperän perusominaisuus. Rakoviivan kaarevuus (epälineaarisuus) johtuu siitä, että tiiviisti tiivistyneiden maapartikkelien dilatanssi riippuu rajoituspaineesta.

Kriittisen tilan teoria

Maaperän leikkauksen alaisen käyttäytymisen syvemmä ymmärtäminen johti maaperän mekaniikan kriittisen tilan teorian kehittämiseen ( Roscoe, Schofield & Wroth 1958 ). Kriittisen tilan maaperän mekaniikassa leikkauslujuus määritellään, kun leikkauksen kohteena oleva maa-aines tekee sen vakiotilavuudessa, jota kutsutaan myös "kriittiseksi tilaksi". Siten leikkauksen kohteena olevalle maaperälle erotetaan yleensä kolme leikkauslujuuden arvoa:

Huippulujuus voi esiintyä ennen kriittistä tilaa tai sen jälkeen, riippuen leikattujen maapartikkelien alkutilasta:

Leikkauslujuuden vakiotilavuudessa (tai kriittisessä tilassa) katsotaan olevan maaperän ulkopuolinen ja riippumaton maaperän alkuperäisestä tiheydestä tai raejärjestelystä. Tässä tilassa leikattujen rakeiden sanotaan "pysähtävän" toistensa päälle ilman merkittävää raekoheesiota tai liukutason muodostumista, jotka vaikuttavat leikkauskestävyyteen. Tässä vaiheessa mikään perinnöllinen kudos tai maaperän rakeiden koheesio ei vaikuta maaperän lujuuteen.

Jäännöslujuutta esiintyy joissakin maa-aineissa, joissa maaperän muodostavien hiukkasten muoto tasoittuu leikkauksen aikana (muodostaen liukuvan pinnan), mikä johtaa lisäleikkauksen kestävyyden heikkenemiseen (pehmeneminen edelleen muodonmuutoksen aikana). Tämä pätee erityisesti useimpiin lamellimineraaleja sisältäviin saveihin, mutta sitä havaitaan myös joissakin rakeisissa maaperässä, jossa on pidemmänomaisempia rakeita. Savet, jotka eivät sisällä lamellaarisia mineraaleja (kuten allofaanisavet ), eivät yleensä näytä jäännöslujuutta.

Käytä käytännössä: jos hyväksymme kriittisen tilan teorian ja otamme c' = 0; p voidaan käyttää edellyttäen, että odotettavissa olevien jännitysten taso otetaan huomioon ja mahdollisen repeämisen tai venymien kriittiseen lujuuteen pehmenemisen vaikutukset otetaan myös huomioon. Suurissa muodonmuutoksissa tulee ottaa huomioon liukupinnan muodostumisen mahdollisuus φ' r :llä (esimerkiksi paaluja ajettaessa).

Kriittinen tila tapahtuu kvasistaattisella venymänopeudella. Se ei salli leikkauslujuuden eroja erilaisista jännitysnopeuksista riippuen. Myöskään kriittisessä tilassa ei tapahdu hiukkasten kohdistusta tai maaperän erityisrakenteen huomioimista.

Melkein heti kun kriittisen tilan käsite otettiin ensimmäisen kerran käyttöön, sitä kritisoitiin voimakkaasti, mikä johtui suurelta osin sen kyvyttömyydestä verrata helposti saatavilla olevia testitietoja monista eri maaperistä. Tämä johtuu ensisijaisesti siitä, että teoriat eivät pysty selittämään hiukkasten rakennetta. Tämän pääasiallisena seurauksena on, että ei ole mahdollista mallintaa tyypillisesti kokoonpuristuvissa maaperässä, jossa on anisotrooppiset raemuodot/ominaisuudet, pehmenemisen jälkeistä huippua. Lisäksi matemaattisen mallin tekemiseksi yleensä oletetaan, että leikkausjännitys ei voi aiheuttaa volyymivenymää, eikä bulkkijännitys aiheuta leikkausjännitystä. Koska näin ei ole todellisuudessa, tämä on lisäsyy huonoon yhteensopivuuteen helposti saatavilla olevien empiiristen testitietojen kanssa. Lisäksi elastoplastisissa kriittisissä tilamalleissa oletetaan, että elastiset muodonmuutokset aiheuttavat tilavuusmuutoksia. Koska tämä ei myöskään päde todellisiin maaperään, tämä oletus johtaa huonoon sovitukseen tilavuuden ja huokospaineen muutostietojen välillä.

Stationaaritila (dynaamiset järjestelmät, jotka perustuvat maaleikkaukseen)

Kriittisen tilan käsitteen jalostus on vakaan tilan käsite.

Tasainen lujuus määritellään maaperän leikkauslujuudeksi sen ollessa vakaassa tilassa. Vakaa tila määritellään ( Poulos 1981 ) "tilaksi, jossa maaperän muoto muuttuu jatkuvasti vakiotilavuudessa, vakiossa normaalissa tehollisen jännityksen, vakioleikkausjännityksen ja vakionopeuden tilassa." Steve J. Poulos , Harvardin yliopiston maaperämekaniikan laitoksen professori, rakensi hypoteesin, jonka Arthur Casagrande muotoili myöhään uransa aikana. ( Poulos 1981 ) Vakaan tilan maamekaniikkaa kutsutaan joskus "Harvard-maamekaniikaksi". Vakaa tila on erilainen kuin "kriittinen tila".

Vakaa tila syntyy vasta kaikkien hiukkasten tuhoutumisen jälkeen, jos se on saatu päätökseen ja kaikki hiukkaset ovat orientoituneet tilastollisesti stationaariseen tilaan ja siten, että muodonmuutoksen jatkamiseen vaadittava leikkausjännitys vakiomuotoisella venymänopeudella ei muutu. Tämä koskee sekä tyhjennettyjä että tyhjentämättömiä tiloja.

Vakaan tilan merkitys on hieman erilainen riippuen venymänopeudesta, jolla se mitataan. Siten vakaan tilan leikkauslujuus kvasistaattisella venymänopeudella (venymänopeus, jolla kriittinen tila määritellään) näyttää vastaavan kriittistä leikkauslujuutta. Näiden kahden osavaltion välillä on kuitenkin toinen ero. Se johtuu siitä, että kiinteässä tilassa rakeet sijaitsevat kiinteässä rakenteessa, kun taas kriittisessä tilassa tällaista rakennetta ei synny. Suuren leikkausvoiman tapauksessa pitkänomaisia ​​hiukkasia sisältäville maa-aineille tämä kiinteä rakenne on sellainen, jossa rakeet on suunnattu (ehkä jopa kohdistettu) leikkaussuuntaan. Siinä tapauksessa, että hiukkaset ovat voimakkaasti kohdakkain leikkaussuunnassa, stationäärinen tila vastaa "jäännöstilaa".

Kolme yleistä väärinkäsitystä vakaasta tilasta ovat, että a) se on sama kuin kriittinen tila (ei ole), b) että se koskee vain tyhjentämätöntä tapausta (tämä koskee kaikkia tyhjennysmuotoja) ja c) että se on ei koske hiekkaa (koskee mitä tahansa rakeista maaperää). Vakaan tilan teorian oppikirja löytyy Poulosin raportista ( Poulos 1971 ). Sen käyttö maanjäristystekniikassa on kuvattu toisessa Poulosin julkaisussa ( Poulos 1989 ).

Ero vakaan tilan ja kriittisen tilan välillä ei ole vain semantiikasta, kuten joskus ajatellaan, ja on väärin käyttää kahta termiä/käsitettä vaihtokelpoisesti. Lisävaatimukset vakaan tilan tiukasta määrittelystä kriittisen tilan yläpuolella, esim. vakio venymänopeus ja tilastollisesti vakio rakenne (stationaarinen rakenne) asettavat stationaarisen tilan dynaamisen systeemiteorian kehykseen. Tätä vakaan tilan tiukkaa määritelmää on käytetty kuvaamaan maaleikkausta dynaamisena järjestelmänä ( Joseph 2012 ). Dynaamiset järjestelmät ovat luonteeltaan kaikkialla ( Jupiterin suuri punainen piste on yksi esimerkki), ja matemaatikot ovat tutkineet tällaisia ​​järjestelmiä laajasti. Dynaamisen maaleikkausjärjestelmän ytimessä on yksinkertainen kitka ( Joseph 2017 ).

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ GOST 25100 -projekti Maaperät. Luokittelu . Haettu 6. kesäkuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 1. marraskuuta 2019.
  2. ↑ Skempton ja Henkel esittivät käyrän plastisuusindeksin vaihtelulle, joka myöhemmin lähetettiin lineaarisella yhtälöllä
  3. ↑ Skempton, A. W. ja Nor he, R. D. The sensitivity of days, Geotechnique, Vol. 3, 1952, s. 30-53
  4. ↑ Maaperän tyypilliset kitkakulman arvot . Haettu 12. huhtikuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 30. maaliskuuta 2022.


Ulkoiset linkit