Konsolidacja (mechanika gruntów)

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Konsolidacja w mechanice gruntów proces zagęszczania gruntu pod własnym lub zewnętrznym obciążeniem. Konsolidacji ulegają różne grunty mineralne (szczególnie istotna jest ona w przypadku iłów i innych gruntów spoistych) oraz organiczne (np. torf, gytia i inne). Mechanizm konsolidacji oparty jest na zmniejszaniu się przestrzeni porowej (a więc też objętości gruntu) i dyssypacji wody i przyjmuje się, że ma odmienny charakter w przypadku gruntów mineralnych oraz organicznych.

Podstawy teorii konsolidacji zostały sformułowane przez Karla von Terzaghiego oraz R. E. Gibsona. W klasycznej metodzie Karla von Terzaghiego grunt jest badany za pomocą edometru, który pozwala na określenie współczynnika konsolidacji oraz przewidzieć zakres konsolidacji. Gdy nacisk jest usuwany, grunt w wyniku odprężenia w pewnym stopniu powraca do pierwotnej objętości a gdy nacisk zostanie ponownie przyłożony konsolidacja przebiega według krzywej ponownej konsolidacji określając w ten sposób współczynnik konsolidacji wtórnej. Grunt, który w swej historii uległ konsolidacji jest nazywany "prekonsolidowanym". Przykładem są gliny zwałowe, które ulegały naciskowi przez lądolód.

Analiza konsolidacji[edytuj | edytuj kod]

Pierwotna konsolidacja - analogia sprężyny[edytuj | edytuj kod]

Proces konsolidacji filtracyjnej, czyli związanej z odpływem wody z przestrzni porowych jest często wyjaśniany na przykładzie modelu składającego się ze sprężyny umieszczonej w pojemniku z pokrywą. Pokrywa znajduje się wewnątrz pojemnika i posiada otwór. Sprężyna reprezenuje tu ściśliwość gruntu, natomiast woda w pojemniku wodę porową.

Consolidation spring analogy.jpg
  1. Pojemnik jest całkowicie wypełniony wodą a otwór jest zamknięty - całkowicie nawodniony grunt.
  2. Zadany nacisk przy zamkniętym otworze powoduje wzrost ciśnienia w pojemniku – ciężar jest częściowo przenoszony przez wodę. (Wzrost ciśnienia porowego w gruncie). Po złożeniu osadu i przykryciu go przez osady nadległe, następuje zwiększenie obciążenia, które przejmuje woda występująca w porach gruntu; przyrost naprężeń efektywnych jest niewielki.
  3. Gdy tylko otwór zostaje otwarty, woda wypływa z pojemnika i sprężyna zostaje ściśnięta - drenaż nadmiaru wody porowej. Podczas wyciskania wody z porów (odwadniania) następuje przyrost naprężeń efektywnych, które przejmuje szkielet gruntowy (w gruntach organicznych dodatkową rolę może odgrywać ściśliwość cząstek stałych).
  4. Po pewnym czasie wypływ wody zostaje zakończony i cały ciężar jest przenoszony przez sprężynę - całkowity wypływ nadmiaru wody porowej. Po przyjęciu naprężeń przez szkielet gruntowy do wartości obciążeń maksymalnych, nie następuje dalszy wzrost naprężeń a ciśnienie wody w porach wraca do wartości początkowej - konsolidację można uznać za zakończoną.

Proces konsolidacji filtracyjnej jest bardzo powolny i długi (szczególnie dla nieprzepuszczalnych gruntów spoistych). Często pełną konsolidację gruntu osiąga się po dziesięcioleciach od nałożenia obciążenia odpowiedzialnego za ten proces.

Metoda zakłada, że konsolidacja zachodzi jedynie w układzie jednowymiarowym. Dane laboratoryjne wykorzystywane są do tworzenia wykresu naprężenia lub wskaźnika porowatości do naprężenia efektywnego w skali logarytmicznej. Nachylenie wykresu stanowi wskaźnik konsolidacji. Równanie Terzaghiego na osiadanie w wyniku konsolidacji dla gruntów normalnie skonsolidowanych jest następujące:

 \delta_c = \frac{ C_c }{ 1 + e_0 } H \log \left( \frac{ \sigma_{zf}' }{ \sigma_{z0}' } \right) \

gdzie:

δc - osiadania spowodowane konsolidacją.
Cc - wskaźnik ściśliwości.
e0 - początkowa porowatość.
H - grubość warstwy gruntu.
σzf - końcowy pionowy nacisk.
σz0 - początkowy pionowy nacisk.

Wtórna konsolidacja[edytuj | edytuj kod]

Wtórna konsolidacja, często określana jako strukturalna jest ściśliwością, która następuje po zakończeniu pierwotnej konsolidacji i jest powodowana przez dalsze zbliżanie się cząsteczek gruntu bez odpływu wody. Wzór opisujący ją to:

S_s=\frac{H_0}{1+e_0} C_{a} \log \left( \frac {t} {t_{90} } \right) \

gdzie Ca to wskaźnik wtórnej ściśliwości

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]


Bibliografia[edytuj | edytuj kod]