Επίδραση τεχνητών ινών στη συμπεριφορά εδαφών: χαρακτηριστικά συμπύκνωσης και μηχανική συμπεριφορά υπό συνθήκες ταχείας φόρτισης

Abstract

Various of soil reinforcement techniques have been developed to improve their properties and the behavior of soils. In the last decades, numerous research efforts have been made to investigate the reinforcement of soils with discrete randomly oriented fibers. The addition of fibers to soils as a strengthening agent is of great interest because the friction between the fibers and soil grains as well as their interlocking can improve the stress-strain behavior and strength characteristics of soils with and without the addition of admixtures (e.g. cement). A large number of experiments have been conducted by many researchers in order to investigate the effect of various factors on the mechanical behavior of fiber-reinforced soils. However, the effect of factors, such as soil type and fiber type on the improvement of soils, has not been thoroughly investigated in the past. As a result, additional experimental research is still needed to understand the behavior of soil-fiber composites. Also, the investigation of compaction characteristics is particularly significant for the construction of projects, such as embankments and road subgrades using fiber-reinforced soils. The study of the effect of soil type and fiber type on the compaction characteristics of fiber-reinforced soil is inadequate. Therefore, the objectives of this thesis are to investigate the compaction characteristics and mechanical behavior of fiber-reinforced soils by testing a sufficient number of soil types and fiber types at various lengths and contents. For this purpose, a laboratory program was conducted, consisting of sixty-six specimen compositions. The present research consists of two stages. The first stage aims toward (a) the enrichment of the relatively limited available information on the laboratory documentation of the effect of soil properties and fiber type, length and content on the compaction behavior of fiber-reinforced soils and (b) the development of tools for estimating the compaction characteristics of fiber-reinforced soils. Accordingly, five soils ranging from “excellent” to “poor” materials for use in earthwork structures were tested in combination with five types of polypropylene fibers having lengths ranging from 9 to 50 mm. Tests were conducted with standard compactive effort on specimens with fiber contents ranging from 0.5 to 2% by weight of dry soil. The compaction curves of fiber-reinforced soils can be expressed by polynomial functions. Soil type and fiber content have the most significant and measurable effect, respectively, on the compaction characteristics of fiber-reinforced soils. The addition of fibers to the soil results in a decrease of the maximum dry unit weight of compacted soil by up to 10% and in increasing values of its optimum water content by up to 3.6%. Based on the correlations obtained using 212 measurements reported in this study and other research efforts for a wide variety of materials, easy-to-use empirical equations are proposed for the dependable estimation of the compaction characteristics of fiber-reinforced soils with reasonable accuracy for practical applications. In the second stage, unconsolidated – undrained triaxial compression tests were performed on specimens which were prepared using the compaction characteristics obtained int the first stage (maximum dry unit weight and optimum water content). Tests were performed using confining pressures ranging from 50 to 400 kPa and analyzed in terms of total stress conditions. According to the results of the triaxial compression tests, the effect of the aforementioned factors on the stress-strain curves and the shear strength of the reinforced soils was determined. Fiber reinforcement reduces the stiffness and increases the deformability of the soil. The fiber-reinforced soils exhibit a more ductile behavior in comparison with the unreinforced soils. A Mohr–Coulomb type linear failure criterion satisfactorily describes the shear strength behavior of fiber-reinforced soils in total stress terms. The cohesion values of the fiber-reinforced soils range between 61 kPa and 301 kPa and increase up to seven times in comparison with the cohesion values of the unreinforced soils. The variations of the angle of internal friction of soils due to fiber reinforcement are generally limited to ±25%. The cohesion improvement due to fiber reinforcement is increased with increasing fiber content and fiber length up to 30 mm and is inversely proportional to the fine-grained fraction and the cohesion of the unreinforced soil.

Στην ερευνητική περιοχή της ενίσχυσης εδαφών έχουν αναπτυχθεί πολλές τεχνικές που σκοπό έχουν την βελτίωση των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς τους. Τις τελευταίες δεκαετίες γίνεται μια ερευνητική προσπάθεια για την διερεύνηση της ενίσχυσης των εδαφών με διακριτές ίνες τυχαίου προσανατολισμού. Η προσθήκη ινών στα εδάφη ως ενισχυτικός παράγοντας παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον. Αυτό συμβαίνει γιατί η τριβή μεταξύ των ινών και των κόκκων των εδαφών καθώς και η μεταξύ τους αλληλοεμπλοκή μπορεί να βελτιώσει την συμπεριφορά τάσης – παραμόρφωσης και τα χαρακτηριστικά αντοχής των εδαφών με και χωρίς προσθήκη πρόσμικτων υλικών (π.χ. τσιμέντο). Μεγάλος αριθμός πειραμάτων έχουν διεξαχθεί από πολλούς ερευνητές με σκοπό να διερευνηθεί η επίδραση διαφόρων παραγόντων στη βελτίωση της μηχανικής συμπεριφοράς των ενισχυμένων εδαφών με ίνες. Παρ’ όλα αυτά, πολλοί παράγοντες όπως ο τύπος εδάφους και ο τύπος ίνας, δεν έχουν διερευνηθεί διεξοδικά για την συμβολή τους στη διαδικασία βελτίωσης των ενισχυμένων εδαφών. Ως αποτέλεσμα, απαιτείται ακόμη περισσότερη πειραματική έρευνα για την κατανόηση της συμπεριφοράς αυτών των σύνθετων υλικών. Επίσης, η διερεύνηση των χαρακτηριστικών συμπύκνωσης είναι ιδιαίτερα σημαντική για την κατασκευή έργων όπως επιχώματα και υποβάσεις οδών με χρήση ενισχυμένων εδαφών με ίνες. Η μελέτη της επίδρασης του τύπου εδάφους και του τύπου ίνας στα χαρακτηριστικά συμπύκνωσης του ενισχυμένου εδάφους με ίνες είναι ελλιπής. Επομένως, οι στόχοι της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση των χαρακτηριστικών συμπύκνωσης και της μηχανικής συμπεριφοράς ενισχυμένων εδαφών με ίνες εξετάζοντας ικανό αριθμό τύπων εδαφών και τύπων ινών σε διάφορα μήκη και περιεκτικότητες. Για το σκοπό αυτό, εκτελέστηκε εργαστηριακό πρόγραμμα αποτελούμενο από εξήντα έξι συνθέσεις δοκιμίων. Η παρούσα έρευνα απαρτίζεται από δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο στοχεύει (α) στον εμπλουτισμό των σχετικά περιορισμένων διαθέσιμων πληροφοριών σχετικά με την εργαστηριακή τεκμηρίωση της επίδρασης των ιδιοτήτων του εδάφους και του τύπου, του μήκους και της περιεκτικότητας των ινών στα χαρακτηριστικά συμπύκνωσης εδαφών ενισχυμένων με ίνες και (β) στην ανάπτυξη εργαλείων για την εκτίμηση των χαρακτηριστικών συμπύκνωσης εδαφών ενισχυμένων με ίνες. Χρησιμοποιήθηκαν πέντε τύποι εδαφών που κυμαίνονται από «εξαιρετικά» έως «φτωχά» υλικά για χρήση σε γεωκατασκευές, σε συνδυασμό με πέντε τύπους ινών πολυπροπυλενίου με μήκη από 9 ως 50 mm. Εκτελέστηκαν πρότυπες δοκιμές συμπύκνωσης Proctor σε δοκίμια με περιεκτικότητα σε ίνες που κυμαινόταν από 0,5 ως 2% κατά βάρος ξηρού εδάφους. Οι καμπύλες συμπύκνωσης των ενισχυμένων εδαφών με ίνες μπορούν να εκφραστούν με πολυωνυμικές συναρτήσεις. Ο τύπος του εδάφους και η περιεκτικότητα σε ίνες έχουν την πιο σημαντική επίδραση στα χαρακτηριστικά συμπύκνωσης των ενισχυμένων εδαφών. Η προσθήκη των ινών στο έδαφος έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του μέγιστου ξηρού ειδικού βάρους έως και 10% και την αύξηση των τιμών της βέλτιστης περιεκτικότητας σε νερό έως και 3,6%. Με βάση τις συσχετίσεις που προέκυψαν χρησιμοποιώντας 212 μετρήσεις που προσδιορίστηκαν στην παρούσα έρευνα και σε άλλες ερευνητικές προσπάθειες με μεγάλη ποικιλία υλικών, προτείνονται εύχρηστες εμπειρικές σχέσεις για την αξιόπιστη εκτίμηση των χαρακτηριστικών συμπύκνωσης ενισχυμένων εδαφών με ίνες για χρήση τους στον σχεδιασμό γεωτεχνικών έργων. Στο δεύτερο στάδιο εκτελέστηκαν δοκιμές τριαξονικής φόρτισης χωρίς στερεοποίηση – χωρίς στράγγιση σε δοκίμια τα οποία παρασκευάστηκαν με τα χαρακτηριστικά συμπύκνωσης του πρώτου σταδίου (μέγιστο ξηρό ειδικό βάρος και βέλτιστη περιεκτικότητα σε νερό). Οι δοκιμές εκτελέστηκαν χρησιμοποιώντας ένα εύρος τιμών πλευρικών πιέσεων από 50 ως 400 kPa και αναλύθηκαν υπό όρους ολικών τάσεων. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των δοκιμών τριαξονικής φόρτισης, μελετήθηκε η επίδραση των προαναφερθέντων παραγόντων στις καμπύλες τάσεων –παραμορφώσεων καθώς και στην διατμητική αντοχή των ενισχυμένων εδαφών. Παρατηρήθηκε ότι η ενίσχυση με ίνες μειώνει την ακαμψία και αυξάνει την παραμορφωσιμότητα του εδάφους. Τα ενισχυμένα εδάφη με ίνες παρουσιάζουν πιο όλκιμη συμπεριφορά σε σχέση με τα μη ενισχυμένα εδάφη. Η γραμμική περιβάλλουσα αστοχίας κατά Mohr-Coulomb περιγράφει ικανοποιητικά την διατμητική αντοχή υπό όρους ολικών τάσεων. Οι τιμές συνοχής των ενισχυμένων εδαφών με ίνες κυμαίνονται μεταξύ 61 και 301 kPa και αυξάνονται έως επτά φορές σε σύγκριση με τις τιμές συνοχής των μη ενισχυμένων εδαφών. Οι διακυμάνσεις της γωνίας εσωτερικής τριβής των εδαφών λόγω της ενίσχυσης με ίνες περιορίζονται γενικά σε ±25%. Η βελτίωση της συνοχής λόγω της ενίσχυσης με ίνες αυξάνεται με την αύξηση της περιεκτικότητας των ινών και του μήκους των ινών έως τα 30 mm και είναι αντιστρόφως ανάλογη με το λεπτόκοκκο κλάσμα και τη συνοχή του μη ενισχυμένου εδάφους.