Μηχανική Συμπεριφορά Άμμων Σταθεροποιημένων με Κολλοειδή Πυριτία - Παυλοπούλου, Ελένη-Μαρία (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, 2017)
Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η επίδραση της παθητικής σταθεροποίησης μη συνεκτικών εδαφών με χρήση υγρολύματος κολλοειδούς πυριτίας στη μηχανική συμπεριφορά τους. Στο πεδίο η σταθεροποίηση γίνεται με αργή εισπίεση του κολλοειδούς σταθεροποιητή, κάτω από υφιστάμενες κατασκευές. Το υγρόλυμα κολλοειδούς πυριτίας διοχετεύεται στη ρευστοποιήσιμη εδαφική μάζα μέσω φυσικής ή τεχνητής ροής του υπόγειου νερού. Πρόκειται για μία εναλλακτική μέθοδο χαμηλής διατάραξης που αποσκοπεί στον περιορισμό του κινδύνου ρευστοποίησης, σε περιοχές με ανεπτυγμένες και ευαίσθητες σε ρευστοποίηση υποδομές. Στην παρούσα έρευνα για να μελετηθεί η επίδραση του σταθεροποιητή στα μη συνεκτικά εδάφη εκτελέστηκαν μονοτονικές δοκιμές τριαξονικής θλίψης υπό στραγγιζόμενες και αστράγγιστες συνθήκες. Οι βασικοί στόχοι της εργασίας είναι: i) η κατανόηση των φυσικοχημικών διαδικασιών του υγρολύματος και της γέλης κολλοειδούς πυριτίας, ii) η αποσαφήνιση του πώς αυτές οι διαδικασίες επηρεάζουν τους μηχανισμούς μεταφοράς των κολλοειδών μέσα στους εδαφικούς πόρους και κυρίως, iii) πώς επηρεάζουν τις μηχανικές ιδιότητες των σταθεροποιημένων εδαφών. Το εδαφικό υλικό που χρησιμοποιήθηκε ήταν η λεπτόκοκκη άμμος Μ31 με D50=0.31 mm. Η κολλοειδής πυριτία που χρησιμοποιήθηκε, με την εμπορική ονομασία Ludox® SM, είναι μία υδάτινη διασπορά (υγρόλυμα) διακριτών, συμπαγών (μη πορωδών), σφαιρικών σωματιδίων άμορφης πυριτίας, με διαστάσεις στο κάτω όριο της κολλοειδούς κλίμακας. Τα σωματίδια, υπό κατάλληλες προϋποθέσεις, μπορούν να αναπτύξουν πολύ ισχυρούς δεσμούς συνάφειας και συνοχής. Η διάμετρος των κολλοειδών σφαιρών είναι 7 nm και η ειδική επιφάνεια τους είναι ίση με 345 m2 / g. Το μεγάλο ανάπτυγμα, η δομή και οι ιδιότητες της επιφάνειας των σωματιδίων πυριτίας παίζουν έναν ουσιαστικό ρόλο σε όλες τις φυσικοχημικές ιδιότητες του υγρολύματος και της γέλης. Το παχύρευστο υγρόλυμα μετατρέπεται σταδιακά σε μία ελαστική γέλη. Η κορεσμένη γέλη είναι ένα διφασικό υλικό που αποτελείται από τον στερεό πυριτικό σκελετό και την παγιδευμένη υδάτινη φάση. Στα πρώτα στάδια της διαδικασίας μετατροπής, το υγρόλυμα συμπεριφέρεται ως νευτώνειο υγρό. Καθώς τα συμπλέγματα πυριτικών αλυσίδων μεγαλώνουν, ορισμένα σπάνε από την επιβαλλόμενη διατμητική τάση. Η ελαστική γέλη μπορεί να επιστρέψει στη μορφή του παχύρευστου υγρού αν ο στερεός σκελετός τραυματιστεί εκτεταμένα. Η κολλοειδής πυριτία διοχετεύεται ομοιόμορφα στο εδαφικό υλικό και καλύπτει όλη την επιφάνεια των κόκκων προσδίδοντας τις ευεργετικές της ιδιότητες σε όλη την έκταση του υλικού. Στα πλαίσια της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας, μία σειρά από μονοτονικές δοκιμές τριαξονικής θλίψης ελεύθερης στράγγισης εκτελέστηκαν σε φυσική και σε σταθεροποιημένη άμμο Μ31. Τα σταθεροποιημένα δοκίμια παρασκευάστηκαν με εμβάπτιση ξηρής άμμου σε καλούπια που περιείχαν υγρόλυμα πυριτίας (CS=10%). Στα σταθεροποιημένα δοκίμια, ο μέγιστος λόγος τάσεων εξαρτάται από την αρχική ενεργό τάση, αφού μειώνεται με την αύξηση της. Στο ίδιο εύρος τάσεων, η άμμος αναπτύσσει μια μικρότερη, σταθερή τιμή του λόγου τάσεων. Τα σταθεροποιημένα δοκίμια, αρχικά συστέλλονται, ελαφρώς λιγότερο από την άμμο και στη συνέχεια διαστέλλονται με πολύ υψηλούς ρυθμούς διαστολής στη μέγιστη αντοχή, καταλήγοντας στο τελικό στάδιο να έχουν αναπτύξει ογκομετρική παραμόρφωση δύο με τέσσερις φορές μεγαλύτερη από αυτή των δοκιμίων άμμο. Για ένα μεγάλο εύρος τάσεων η διαστολικότητα των σταθεροποιημένων δοκιμίων παραμένει μεγαλύτερη από αυτή των φυσικών δοκιμίων άμμου, αλλά μειώνεται με την αύξηση της ενεργού τάσης, πλησιάζοντας τη σταθερή τιμή που παρατηρείται στα δοκίμια άμμου. Η επόμενη σειρά των εργαστηριακών δοκιμών ήταν οι μονοτονικές δοκιμές τριαξονικής θλίψης σε φυσική και σταθεροποιημένη (CS=10%) άμμο Μ31, υπό αστράγγιστες συνθήκες. Η σταθεροποιημένη άμμος (M31) εμφανίζει μεγαλύτερη αντοχή από τη φυσική άμμο. Η γωνία διατμητικής αντοχής των σταθεροποιημένων δοκιμίων είναι υψηλότερη από αυτή των δοκιμίων άμμου και είναι εξαρτημένη από την ενεργό τάση, καθώς μειώνεται με την αύξηση της. Τα σταθεροποιημένα δοκίμια αναπτύσσουν μεγαλύτερες διατμητικές τάσεις και πιο έντονη τάση για διαστολή. Τα σταθεροποιημένα δοκίμια εμφανίζουν αρχικά μια συστολική συμπεριφορά αναπτύσσοντας μόνο 10% μικρότερες υπερπιέσεις πόρων από την άμμο, υποδεικνύοντας ότι ο σκελετός της άμμου ελέγχει την ανάπτυξή τους. Ωστόσο, τα σταθεροποιημένα δοκίμια μετά την αλλαγή κατάστασης παρουσιάζουν μια πολύ έντονη τάση για διαστολή.