Εργαστηριακή και αναλυτική διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς των μη κορεσμένων εδαφών

Abstract

The mechanical behaviour of unsaturated soils and the experimental and analyticalinvestigation performed in the specific field are presented in the thesis. Unsaturated is calledthe soil the degree of saturation of which, i.e. the ratio of the volume of its water-filled voids tothe volume of all its voids, is smaller than unity and larger than zero. The thesis is divided intothree parts: the first one presenting the nature and mechanical behaviour of unsaturated soils,the second part presenting the experimental investigation performed, and the third partpresenting the analytical investigation and the new theoretical framework developed forunsaturated soils. In the first part, the reasons why unsaturated soils appear in nature arepresented. The interaction between the liquid and the air phase of the soil is explained and howthat manifests itself macroscopically in the form of suction. Suction constitutes the secondstress parameter in unsaturated soils; the first being total stress. Suction measurement methodsare exhaustively presented ending with their comparative evaluation. The soil-watercharacteristic curve is then presented and explained. This curve describes the way water isdrained or absorbed by the soil due to changes in suction. Volume changes, shear strength andpermeability of unsaturated soils are presented in separate chapters of the first part of thethesis. The experimental investigation of the mechanical behaviour of unsaturated soilsperformed is presented in the second part. The virgin drying branches of the soil-watercharacteristic curves on natural soils, reconstituted soils in the form of slurries, recomposedand compacted soils were measured. These branches are presented, along with the empiricalrelations derived, especially regarding the evolution of residual void ratio after drying relativeto the loading-unloading history of soils. The laboratory investigation also included swelling/collapse tests under one-dimensional loading conditions and unconfined compressionand splitting tensile strength tests on samples of reconstituted soils subjected to drying. Thecombination of the results of the latter two types of tests allowed the estimation of the apparentcohesion developed by the tested reconstituted soils during drying. The new theoreticalframework for the description of the mechanical behaviour of unsaturated soils that wasdeveloped is presented in the third part. The already published constitutive models forunsaturated soils are presented first. This literature review revealed that no existingconstitutive model for unsaturated soils predicts various forms of unsaturated soil shearstrength evolution with suction (continuous increase, initial increase followed by stabilizationor finally initial increase with subsequent decrease in strength). Except for that, no existingconstitutive model predicts progressive stabilization of void ratio decrease due to drying, at thesame time “aiming” at a specific value of the residual void ratio after drying. These twodeficits are covered by the new theoretical framework developed:a. It describes the evolution of tensile strength with suction in order for any type of scenarioto be predicted for suction increasing beyond air-entry pressure (further increase in strength,stabilization or decrease).b. It predicts progressive stabilization of void ratio decrease due to drying, at the same time“aiming” at a specific value of the residual void ratio after drying.

Στη διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται η μηχανική συμπεριφορά των μη κορεσμένων εδαφών, η εργαστηριακή διερεύνησή της που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της διατριβή ςκαι η διατύπωση ενός νέου θεωρητικού πλαισίου για την περιγραφή της. Μη κορεσμένο ονομάζεται το εδαφικό εκείνο υλικό του οποίου ο βαθμός κορεσμού, δηλαδή ο λόγος του όγκου των κενών του που πληρούνται με νερό προς το συνολικό όγκο των κενών του, είναι μικρότερος της μονάδας και μεγαλύτερος του μηδενός. Η διατριβή περιλαμβάνει τρία μέρη: το πρώτο που αποτελεί το κείμενο στο οποίο παρουσιάζεται η φύση και η μηχανική συμπεριφορά των μή κορεσμένων εδαφών, το δεύτερο στο οποίο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εργαστηριακής διερεύνησης που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής και το τρίτο στο οποίο διατυπώνεται το νέο θεωρητικό πλαίσιο για μή κορεσμένα εδάφη. Στο πρώτο μέρος παρουσιάζονται οι λόγοι εμφάνισης μή κορεσμένων εδαφών στη φύση και λόγω ανθρωπογενών διεργασιών. Επεξηγείται η αλληλεπίδραση της υγρής και της αέριας φάσης και πως αυτή εκδηλώνεται μακροσκοπικά με τη μορφή της μύζησης. Η μύζηση (suction) αποτελεί τη δεύτερη παράμετρο τάσης στα μή κορεσμένα εδάφη, μετά την ολική τάση. Παρουσιάζεται και επεξηγείται η χαρακτηριστική καμπύλη εδάφους-νερού, η οποία αποτελεί την καμπύλη που περιγράφει τον τρόπο απώλειας ή προσρόφησης νερού από ένα εδαφικό υλικό συναρτήσει της μεταβολής της μύζησης. Οι μεταβολές όγκου των μη κορεσμένων εδαφών, η διατμητική τους αντοχή και η διαπερατότητά τους περιγράφονται αναλυτικά. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται η εργαστηριακή διερεύνηση που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της διατριβής. Εκτελέστηκαν δοκιμές προσδιορισμού του κλάδου παρθένας ξήρανσης (virgindrying) της χαρακτηριστικής καμπύλης εδάφους-νερού σε φυσικά εδαφικά υλικά,αναζυμωμένα εδαφικά υλικά σε μορφή πολτού και αναζυμωμένα εδαφικά υλικά μετά από συμπίεση και αποφόρτισή τους. Παρουσιάζονται οι προσδιορισθέντες κλάδοι ξήρανσης, οι εργαστηριακές διατάξεις προσδιορισμού τους (θάλαμοι μύζησης, θάλαμοι διατήρησης υδατικών διαλυμάτων και υγρόμετρο ψυχρού κατόπτρου), και τα συμπεράσματα από τις δοκιμές αυτές μαζί με τις εμπειρικές συσχετίσεις που διατυπώθηκαν, ιδίως σε ό,τι αφορά την εξέλιξη του παραμένοντος λόγου κενών συναρτήσει της ιστορίας φόρτισης-αποφόρτισης των εδαφικών υλικών. Η εργαστηριακή διερεύνηση συμπληρώθηκε από δοκιμές προσδιορισμού της χαρακτηριστικής καμπύλης εδάφους-νερού σε συμπυκνωμένα εδάφη, δοκιμές προσδιορισμού διόγκωσης/κατάρρευσης σε συμπυκνωμένα εδάφη υπό μονοδιάστατες συνθήκες φορτίσεως, και δοκιμές ανεμπόδιστης θλίψης και θλίψης κατά γενέτειρα σε αναζυμωμένα εδαφικά υλικά που είχαν υποστεί ξήρανση. Ο συνδυασμός των αποτελεσμάτων αυτών των δύο ειδών δοκιμών επέτρεψε την εκτίμηση της φαινόμενης συνοχής που ανέπτυξαν τα αναζυμωμένα εδαφικά υλικά κατά την ξήρανσή τους. Στο τρίτο μέρος της διδακτορικής διατριβής παρουσιάζεται το νέο θεωρητικό πλαίσιο της μηχανικής συμπεριφοράς των μη κορεσμένων εδαφών που αναπτύχθηκε. Αρχικά παρουσιάζονται τα διατυπωμένα καταστατικά προσομοιώματα για μη κορεσμένα εδαφικά υλικά. Στη συνέχεια παρουσιάζεται το νέο θεωρητικό πλαίσιο που καλύπτει τις δύο ελλείψεις που εντοπίστηκαν από την βιβλιογραφική ανασκόπηση των προσομοιωμάτων: α. Περιγράφει την εξέλιξη της εφελκυστικής αντοχής με την μύζηση έτσι ώστε να είναι δυνατόν να προβλεφθεί οποιαδήποτε δυνατή εξέλιξη της διατμητικής αντοχής μετά την πίεση διείσδυσης αέρα (περαιτέρω αύξηση της αντοχής, σταθεροποίηση ή μείωση).β. Προβλέπει παύση της περαιτέρω μείωσης του λόγου κενών των εδαφικών υλικών από την μύζηση που αντιστοιχεί στον παραμένοντα λόγο κενών και μετά, με ταυτόχρονη ικανότητα κατάληξης σε επιλεγμένη τιμή του παραμένοντος λόγου κενών.