Μονοτονική ανακυκλική συμπεριφορά άμμου και μειγμάτων άμμου-ίλυος σε στρεπτική διάτμηση - Πολυδώρου, Χρύσανθος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Γεωτεχνικής, 2015)
Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η επίδραση που έχει το ποσοστό περιεχόμενης ιλύος σε μείγματα άμμου, όσον αφορά την μηχανική τους συμπεριφορά, καθώς επίσης και κατά πόσο αυτή αλλάζει αναλόγως του περιεχόμενου ποσοστού λεπτόκοκκου παράγοντα. Αυτό το ζήτημα είναι ένα κομμάτι της Γεωτεχνικής Επιστήμης το οποίο δεν έχει αποσαφηνιστεί πλήρως. Οι λόγοι στους οποίους οφείλονται οι μεγάλες διαφορές που παρατηρούνται στα αποτελέσματα των εργασιών που γίνονται κατά καιρούς είναι πολλοί και ποικίλουν. Μερικοί απο αυτούς είναι η σύσταση των υλικών, η κοκκομετρική τους διαβάθμιση, ο δείκτης πόρων, η ενεργός τάση στερεοποίησης , ο τρόπος με τον οποίο οι διάφορες συσκευές επιβάλλουν την φόρτιση και αρκετές άλλες παράμετροι οι οποίες παίζουν καθοριστικό ρόλο ως προς την συμπεριφορά του εδαφικού υλικού. Στο πρώτο κεφάλαιο της διπλωματικής εργασίας γίνεται αναφορά στην μικροδομή του υλικού έτσι ώστε να υπάρχει μια κοινή βάση αναφοράς, καθώς επίσης και στους ορισμούς των διαφόρων δεικτών πόρων και σε ποιούς εδαφικούς σχηματισμούς είναι κατάλληλος να εφαρμόζεται ο καθένας απο αυτούς (Σχήμα 1). Ακόμη, αναφαίρονται επιγραμματικά ορισμένοι κύριοι παράγοντες οι οποίοι επιδρούν στην συμπεριφορά της καθαρής άμμου και μειγμάτων άμμου-ιλύος, και οι οποίοι παίζουν καθοριστικό ρόλο ως προς την αντίσταση των δοκιμίων έναντι ρευστοποίησης, όπως είναι το ποσοστό λεπτοκόκκων, ο δείκτης πόρων, η αρχική ενεργός τάση και η αρχική δομή του εδαφικού σχηματισμού.Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα εδαφικά υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για τις ανάγκες της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Πιο συγκεκριμένα, αναφέρονται τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες της άμμου (Μ31) και της ιλύος (D6) η μέση διάμετρος της οποίας είναι υποπενταπλάσια σε σχέση με εκείνης της άμμου. Επίσης, παρουσιάζονται τα διαγράμματα μέγιστου και ελάχιστου δείκτη πόρων για κάθε ποσοστό λεπτόκοκκου υλικού στο μείγμα άμμου-ιλύος, τα οποία συγκρινόμενα με αντίστοιχα της βιβλιογραφίας φαίνεται να συμπίπτουν, εμφανίζοντας μείωση των δεικτών πόρων μέχρι ποσοστό λεπτοκόκκων 30% και στη συνέχεια διαρκή αύξηση με την αύξηση του ποσοστού ιλύος στο μείγμα. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μια εκτενής αναφορά στις βιβλιογραφικές αναφορές όσον αφορά την επίδραση του ποσοστού ιλύος στην μηχανική συμπεριφορά της άμμου, τόσο σε τριαξονικές δοκιμές, όσο και σε δοκιμές στρέψης κοίλου δοκιμίου. Αυτές οι βιβλιογραφικές αναφορες γίνονται με βάση τον δείκτη πόρων σκελετού αλλά και τον δείκτη πόρων κενών έτσι ώστε να αποσαφηνιστεί η επίδραση του κάθε παράγοντα (πυκνότητα, τάση στερεοποίησης, ποσοστό λεπτόκοκκων) συναρτήσει του κάθε δείκτη πόρων. Γενικά, στο κεφάλαιο αυτό παρατηρούμε ότι οι απόψεις των διαφόρων ερευνητών διίστανται και ότι το φαινόμενο της ρευστοποίησης είναι αρκετά πολύπλοκο αφού μέσα σε αυτό υπεισέρχονται αρκετοί παράγοντες όπως ο τρόπος παρασκευής των δοκιμίων, τα υλικά που χρησιμοποιούνται, ο τρόπος σύγκρισης των αποτελεσμάτων, οι πειραματικές διατάξεις, οι οποίοι επηρεάζουν σημαντικά το τελικό αποτέλεσμα. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η συσκευή στρέψης κοίλου δοκιμίου (hollow cylinder) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, στην οποία πραγματοποιήθηκαν και τα πειράματα της παρούσας εργασίας. Ακολούθως, περιγράφεται η πειραματική vii διαδικασία παρασκευής των διαφόρων δοκιμίων καθώς επίσης και ο τρόπος επιβολής της φόρτισης (μονοτονική και ανακυκλική). Στο πέμπτο κεφάλαιο αναλύονται οι αρχές λειτουργείας της συσκεύης όπως και οι υποθέσεις που γίνονται όσο αφορά την κατανομή των τάσεων και των παραμορφώσεων κοίλου δοκιμίου (Σχήμα 2). Επίσης, γίνεται ειδική αναφορά στην επίδραση που έχει η γεωμετρία του δοκιμίου στην κατανομή των τάσεων στο εσωτερικό του.Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν απο πειράματα ανακυκλικής φόρτισης στην συσκεύη στρεπτικής διάτμησης κοίλου δοκιμίου (hollow cylinder), σε δοκίμια καθαρής άμμου και σε μείγματα άμμου-ιλύος, με το ποσοστό του λεπτόκοκκου εδαφικού υλικού να κυμαίνεται απο 0% έως και 15%. Τα δοκίμια έχουν στερεοποιηθεί σε αρχικές ενεργές τάσεις που κυμαίνονται απο 50kPa έως και 300kPa. Συνολικά, έχουν επεξεργαστεί 63 ανακυκλικά πειράματα τα οποία είχαν πραγματοποιηθεί στο εργαστήριο Εδαφομηχανικής του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, ενώ στην συνέχεια πραγματοποιήθηκε και μια νέα σειρά πειραμάτων, που αποτελείτο απο 23 ανακυκλικές δοκιμές. Εξετάζεται η επίδραση της πυκνότητας μέσα απο δυο σειρές πειραμάτων (χαλαρών και πυκνών δοκιμίων), τόσο στην καθαρή άμμο, όσο και σε μείγματα άμμου-ιλύος με τα πυκνότερα δοκίμια να παρουσιάζουν σαφώς βελτιωμένη συμπεριφορά έναντι ρευστοποίησης σε σχέση με τα χαλαρά. Όμως με την αύξηση του ποσοστού των λεπτοκόκκων πέραν του 10%, μειώνεται και η επίδραση που έχει η πυκνότητα στα τελικά αποτελέσματα. Στην συνέχεια, εξετάζεται η επίδραση που έχει το ποσοστό των λεπτόκοκκων υλικών σε μείγματα άμμου-ιλύος, για δοκίμια τα οποία στερεοποιήθηκαν σε αρχικές ενεργές τάσεις απο 50kPa έως και 300kPa. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των πειραμάτων αυτών, για τα δοκίμια τα οποία στερεοποιήθηκαν σε αρχική ενεργό τάση 50kPa, η αντοχή έναντι ρευστοποίησης αυξάνεται με την αύξηση του ποσοστού των λεπτόκοκκων υλικών. Τα δοκίμια όμως που στερεοποιήθηκαν σε μεγαλύτερες αρχικές ενεργές τάσεις (100kPa και 300kPa) παρουσιάζουν μια διαφοροποίηση, αφού το βέλτιστο ποσοστό λεπτόκοκκου υλικού παρατηρήθηκε ότι είναι 5%. Περαιτέρω αύξηση του λεπτόκοκκου υλικού στο μείγμα (10% και 15%), οδηγεί σε πτώση της αντοχής έναντι ρευστοποίησης, όχι όμως και μικρότερη αντοχή απο τα δείγματα της καθαρής άμμου (Σχήμα 3). Τέλος, στο viii κεφάλαιο αυτό τα αποτελέσματα των δοκιμών κανονικοποίθηκαν με βάση τον δείκτη πόρων σκελετού όπως και με τον δείκτη πόρων κενών ούτως ώστε να ξεκαθαριστεί η επίδραση του ποσοστού των λεπτόκοκκων και της τάσης στερεοποιήσης στην αντοχή των δοκιμίων έναντι ρευστοποίησης για τις δύο διαφορετικές βάσεις σύγκρισης.Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα απο πειράματα μονοτονικής φόρτισης στην συσκεύη στρεπτικής διάτμησης κοίλου δοκιμίου (hollow cylinder) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, σε δοκίμια καθαρής άμμου και σε μείγματα άμμου-ιλύος, με το ποσοστό του λεπτόκοκκου εδαφικού υλικού να κυμαίνεται απο 0% έως και 15%. Τα δοκίμια έχουν στερεοποιηθεί σε αρχικές ενεργές τάσεις που κυμαίνονται απο 25kPa έως και 300kPa. Συνολικά, έχουν επεξεργαστεί 28 μονοτονικά πειράματα. Αρχικά, στο κεφάλαιο αυτό εξετάζεται η επίδραση της πυκνότητας, τόσο σε δοκίμια καθαρής άμμου, όσο και σε μείγματα άμμου-ιλύος με περιεχόμενο ποσοστό λεπτοκόκκων 5%, 10% και 15%. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των πειραμάτων αυτών, παρατηρούμε ότι η μείωση του δείκτη πόρων σκελετού στα δοκίμια καθαρών ix άμμων και μειγμάτων άμμου-ιλύος οδηγεί σε αύξηση των διατμητικών αντοχών και σε μείωση του εύρους παραμόρφωσης για το οποίο οι υπερπιέσεις είναι θετικές. Ακολούθως, εξετάζεται η επίδραση που έχει το ποσοστό των λεπτόκοκκων υλικών σε μείγματα άμμου-ιλύος, σε πυκνά αλλά και σε χαλαρά δοκίμια, τα οποία στερεοποιήθηκαν σε αρχικές ενεργές τάσεις απο 50kPa έως και 300kPa. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται μέσω διαγραμμάτων όπου φαίνονται οι διαδρομές των ενεργών τάσεων (p’ - q), η αποκλίνουσα τάση σε συνάρτηση με την διατμητκή παραμόρφωση (q - γθz) και η υπερπίεση πόρων ρευστού σε συνάρτηση με την διατμητκή παραμόρφωση (ΔU - γθz). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των πειραμάτων αυτών, η προσθήκη λεπτόκοκκου υλικού αυξάνει την διατμητική αντοχή των δοκιμίων σε σχέση με τα αντίστοιχα δοκίμια της καθαρής άμμου, τόσο για πυκνά όσο και χαλαρά δοκίμια. Όσον αφορά την επίδραση της τάσης στην οποία έχουν στερεοποιηθεί τα δοκίμια, τόσο στην καθαρή άμμο, όσο και σε μείγματα άμμου-ιλύος με περιεχόμενο ποσοστό λεπτόκοκκου υλικού απο 5% έως και 15% τα αποτελέσματα των πειραμάτων δείχνουν ότι η αύξηση της αρχικής ενεργού τάσης αυξάνει την τάση για συστολή των δοκιμίων, με αποτέλεσμα τα δοκίμια που στερεοποιήθηκαν στα 100kPa, να παρουσιάζουν σημαντικά πιο συστολική συμπεριφορά σε σχέση με τα δοκίμια που στερεοποιήθηκαν στα 50kPa, όπως και μεγαλύτερο πλάτος διατμητικής παραμόρφωσης για το οποίο οι υπερπιέσεις πόρων ηταν θετικές. Τέλος, τα αποτελέσματα των μονοτονικών δοκιμών κανονικοποιήθηκαν με βάση την αρχική τους ενεργό τάση έτσι ώστε να αποσαφηνιστεί η επίδραση της τάσης στερεοποίησης σε πυκνά και χαλαρά δοκίμια καθαρής άμμου, αλλά και μειγμάτων άμμου-ιλύος με περιεχόμενο ποσοστό λεπτόκοκκου υλικού απο 5% έως και 15%. Στο όγδοο και τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται και αναλύονται τα γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν μετά απο επεξεργασία των ανακυκλικών και μονοτονικών δοκιμών στην συσκευή στρεπτικής διάτμησης κοίλου δοκιμίου (hollow cylinder), και συγκρίνονται τα τελικά συμπεράσματα που προέκυψαν απο αυτές τις δυο διαφορετικές μορφές φόρτισης.