ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΩΝ ΜΗ ΚΟΡΕΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ

ΜΠΑΡΔΑΝΗΣ, ΜΙΧΑΗΛ; BARDANIS, MICHAIL

dc.contributor.author	ΜΠΑΡΔΑΝΗΣ, ΜΙΧΑΗΛ	el
dc.contributor.author	BARDANIS, MICHAIL	en
dc.date.accessioned	2016-06-14T07:35:16Z
dc.date.available	2016-06-14T07:35:16Z
dc.date.issued	2016-06-14
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42683
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.1921
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	ΜΗ ΚΟΡΕΣΜΕΝΟ ΕΔΑΦΟΣ	el
dc.subject	ΞΗΡΑΝΣΗ	el
dc.subject	ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΚΑΜΠΥΛΗ	el
dc.subject	ΚΑΤΑΣΤΑΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ	el
dc.subject	ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ	el
dc.subject	UNSATURATED SOIL	en
dc.subject	DRYING	el
dc.subject	CHARACTERISTIC CURVE	el
dc.subject	CONSTITUTIVE MODELLING	el
dc.subject	EXPERIMENTAL INVESTIGATION	el
dc.title	ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΩΝ ΜΗ ΚΟΡΕΣΜΕΝΩΝ ΕΔΑΦΩΝ	el
dc.title	EXPERIMENTAL AND ANALYTICAL INVESTIGATION OF THE MECHANICAL BEHAVIOUR OF UNSATURATED SOILS	en
dc.contributor.department	ΤΟΜΕΑΣ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗΣ	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ	el
heal.classification	GEOTECHNICAL ENGINEERING	en
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/cb16f7de16f322f2114874eda44f02fe72165c84
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/cb16f7de16f322f2114874eda44f02fe72165c84
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-05-09
heal.abstract	Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται η μηχανική συμπεριφορά των μη κορεσμένων εδαφών, η εργαστηριακή διερεύνησή της που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της διατριβής και η διατύπωση ενός νέου θεωρητικού πλαισίου για την περιγραφή της. Μη κορεσμένο ονομάζεται το εδαφικό εκείνο υλικό του οποίου ο βαθμός κορεσμού, δηλαδή ο λό¬γος του όγκου των κενών του εδαφικού υλικού που πληρούνται με νερό προς το συνολικό ό¬γκο των κενών του, είναι μικρότερος της μονάδας και μεγαλύτερος του μηδενός. Η μηχανική συμπεριφορά των εδαφικών αυτών υλικών έχει αποτελέσει αντικείμενο διερεύνησης μόνο σχετικά πρόσφατα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει τρία μέρη: το πρώτο μέρος που απο¬τε¬λεί το κείμενο στο οποίο παρουσιάζεται η φύση και η μηχανική συμπεριφορά των μή κορε¬σμέ¬νων εδαφών, το δεύτερο μέρος στο οποίο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εργαστηριακής δι¬ερεύνησης που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της εκπόνησης της διδακτορικής διατριβής και το τρίτο μέρος στο οποίο διατυπώνεται το νέο θεωρητικό πλαίσιο για μή κορεσμένα εδά¬φη. Στο πρώτο μέρος της διατριβής παρουσιάζονται οι λόγοι της εμφάνισης μή κορε-σμέ¬νων εδαφών στη φύση και λόγω ανθρωπογενών διεργασιών ως εισαγωγή στην παρουσίαση και μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς των μή κορεσμένων εδαφών. Επε¬ξη¬γείται η αλληλεπίδραση της υγρής και της αέριας φάσης και πως αυτή εκδηλώνεται μα¬κρο¬σκο¬πικά με τη μορφή της μύζησης. Η μύζηση (suction) αποτελεί τη δεύτερη παράμετρο τάσης στα μή κορεσμένα εδάφη, μετά την ολική τάση ανηγμένη ως προς την πίεση της αέριας φάσης. Παρουσιάζονται εκτενώς οι μέθοδοι μέτρησης αυτού του μεγέθους και βιβλιογραφικά και με βάση τη συσσωρευθείσα εμπειρία του γράφοντα από την εκπόνηση της διατριβής καταλήγοντας στη σύγκριση και αξιολόγησή τους. Παρουσιάζεται και επεξηγείται η χαρακτηριστική καμπύλη εδάφους-νερού, η οποία αποτελεί την καμπύλη που περιγράφει τον τρόπο απώ¬λει¬ας ή προσρόφησης νερού από ένα εδαφικό υλικό συναρτήσει της μεταβολής της μύζησης. Α¬πο¬τε¬λεί την κεντρική έννοια για την κατανόηση αλλά και τη μελέτη της μηχανικής συμπε¬ρι¬φο¬ράς των μή κορεσμένων εδαφών και η μορφή της καθορίζει την εξέλιξη των μεταβολών όγκου, της διατμητικής αντοχής και του συντελεστή διαπερατότητας ως προς την υγρή και την αέρια φά¬ση συναρτήσει της μύζησης. Οι μεταβολές όγκου των μη κορεσμένων εδαφών, η διατμητική τους αντοχή και η διαπερατότητά τους περιγράφονται αναλυτικά σε ξεχωριστά κεφάλαια του πρώτου μέρους της διατριβής με τα οποία ολοκληρώνεται η παρουσίαση της μηχανικής συμπεριφοράς των μη κορεσμένων εδαφών. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής παρουσιάζεται η εργαστηριακή διερεύνηση που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της διατριβής. Εκτελέστηκαν δοκιμές προσδιορισμού του κλάδου παρ¬θένας ξή¬ραν¬σης (virgin drying) της χαρακτηριστικής καμπύλης εδάφους-νερού σε φυσικά εδαφικά υλικά, αναζυμωμένα εδαφικά υλικά σε μορφή πολτού και αναζυμωμένα εδαφικά υλικά μετά από συμπίεσή τους υπό μονοδιάστατες συνθήκες φορτίσεως μέχρι διάφορες τιμές της κατακόρυφης τάσης και αποφόρτισή τους. Παρουσιάζονται οι προσδιορισθέντες κλάδοι ξήρανσης, οι εργαστηριακές διατάξεις προσδιορισμού τους (θάλαμοι μύζησης, θάλαμοι διατήρησης υδατικών διαλυμάτων και υγρόμετρο ψυχρού κατόπτρου), οι συμπληρωματικές δο¬κι¬μές παρακολούθησης του ποσοστού υγρασίας κατά την ξήρανση στην ατμόσφαιρα ή τον εργαστηριακό φούρνο θερμοκρασίας 110 οC και τα συμπεράσματα από τις δοκιμές αυτές μαζί με τις εμπειρικές συσχετίσεις που διατυπώθηκαν επί τη βάσει των προσδιορισθεισών τιμών πα¬ρα¬μέτρων, ιδίως σε ό,τι αφορά την εξέλιξη του παραμένοντος λόγου κενών συναρτήσει της ιστορίας φόρτισης-αποφόρτισης των εδαφικών υλικών. Δι-ατυπώθηκε μάλιστα μία οικογένεια εμπειρικών συσχετίσεων που επιτρέπουν την πρόβλεψη του παραμένοντος λό¬γου κενών των εδαφικών υλικών μετά από ξήρανση από την αρχική τους κατάσταση (όπως εκ¬¬φράζεται από τον αρχικό λόγο κενών), τη φύση τους (όπως εκφράζεται από το όριο υδαρότητας ή το όριο πλαστικότητας και την ανηγμένη πυκνότητα στερεάς φάσης) και τη δομή τους. Η σημασία της εμπειρικής αυ¬τής συσχέτισης έγκειται στο ότι ο παραμένων λόγος κενών αποτελεί παράμετρο μηχανικής συ¬μπεριφοράς των μη κορεσμένων εδαφών, άμεσα χρησιμοποιούμενη σε κατα¬στα¬τικά προσομοιώματα για μη κορεσμένα εδάφη, ειδικά δε στο νέο θεωρητικό πλαίσιο περιγραφής της μηχανικής συμπεριφοράς των μη κορεσμένων εδαφών που διατυπώθηκε. 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 που πραγματοποιήθηκαν σε αναζυμωμένα εδαφικά υλικά που είχαν υποστεί ξήρανση. Ειδικά 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. Η εξέλιξη της φαινόμενης συνοχής με τη μύζηση αποτελεί παράμετρο καταστατικής προσομοίωσης που χρησιμοποιήθηκε στο νέο θεωρητικό πλαίσιο περιγραφής της μηχανικής συμπεριφοράς των μη κορεσμένων εδαφών που διατυπώθηκε. 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. Παρουσιάζεται αναλυτικά το πρώτο ολοκληρωμένο καταστατικό προσομοίωμα για μη κορεσμένα εδαφικά υλικά, το καταστατικό προσομοίωμα των Alonso, et al. (1990). Η αναλυτική παρουσίασή του θεωρήθηκε σκόπιμη, αφενός γιατί αποτελεί το πρώτο προσομοίωμα που περιέγραψε ένα ενοποιημένο θεωρητικό πλαίσιο της μηχανικής συμπεριφοράς των μη κορεσμένων εδαφών και αφετέρου γιατί όλα τα καταστατικά προσομοιώματα για μη κορεσμένα εδάφη που διατυπώθηκαν μετά από αυτό, βασίζονται σε αυτό σε μικρό ή μεγαλύτερο βαθμό και είναι πολύ εύκολη η παρουσίασή τους αν έχει γίνει κατανοητό το προσομοίωμα αυτό. Από την παρουσίαση αυτή διαπιστώνεται ότι κανένα από τα υφιστάμενα καταστατικά προσομοιώματα δεν μπορεί να προβλέψει διάφορες μορφές της εξέλιξης της διατμητικής αντοχής των μη κορεσμένων εδαφών με την αύξηση της μύζησης (συνεχή αύξηση –μονοτονική ή μη-, αρχική αύξηση ακολουθούμενη από σταθεροποίηση ή τέλος, αρχική αύξηση και στη συνέχεια μείωση της διατμητικής αντοχής). Διαπιστώνεται επίσης ότι κανένα από τα υπάρχοντα καταστατικά προσομοιώματα δεν προβλέπει προοδευτική παύση της μείωσης του λόγου κενών με την αύξηση της μύζησης με ταυτόχρονη «στόχευση» προς συγκεκριμένη τιμή του παραμένοντος λόγου κενών των εδαφικών υλικών. Αυτές ακριβώς τις δύο ελλείψεις καλύπτει το νέο θεωρητικό πλαίσιο που αναπτύχθηκε: 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 (αυτή που έχει μετρηθεί εργαστηριακά ή προβλέπεται από τις εμπειρικές συσχετίσεις στις οποίες κατέληξε η πραγματοποιηθείσα εργαστηριακή διερεύνηση). γ. Διά της μορφής που προβλέπει παύση της περαιτέρω μείωσης του λόγου κενών, το νέο θεωρητικό πλαίσιο μπορεί να προβλέψει την δυνατή περιοχή εμφάνισης πλαστικών ογκομετρικών μεταβολών λόγω μεταβολής της μύζησης. Αυτό το σημείο αποτελεί ίσως το πιο καινοτόμο σημείο του νέου θεωρητικού πλαισίου, καθώς εισάγει για πρώτη φορά την έννοια ότι υπάρχει μία περιοχή τιμών της μύζησης (από την τιμή της μύζησης επίτευξης παραμένοντος λόγου κενών και μετά) στην οποία πλαστικές ογκομετρικές παραμορφώσεις μπορούν να συμβούν μόνο λόγω αύξησης της ολικής τάσης και όχι λόγω αύξησης της μύζησης.	el
heal.abstract	This thesis presents the mechanical behaviour of unsaturated soils and the experimental and analytical investigation performed in the specific field as part of the thesis. Unsaturated is called the soil the degree of saturation of which, i.e. the ratio of the volume of its water-filled voids to the volume of all its voids, is smaller than unity and larger than zero. The mechanical behaviour of these soils has been the object of extensive research worldwide only relatively recently. The thesis is divided into three parts: the first one which presents the nature and mechanical behaviour of unsaturated soils, the second part which presents the experimental investigation performed, an the third part presenting the analytical investigation and the new theoretical framework developed for unsaturated soils. In the first part of the thesis, the reasons why unsaturated soils appear in nature are presented as an introduction to the presentation of their mechanical behaviour. the interaction between the liquid and the air phase of the soil is explained and how is that manifests itself macroscopically in the form of suction. Suction constitutes the second stress parameter in unsaturated soils; the first being total stress relative to the air pressure. Suction measurement methods are exhaustively presented on the basis of literature review and the experience of the author ending with their comparative evaluation. The soil-water characteristic curve is then presented and explained. This curve describes the way water is drained or absorbed by the soil due to changes in suction. It is the fundamental property for describing tha nature and studying the mechanical behaviour of soil. Its shape dictates the evolution of volume changes, shear strength and permeability relative to the liquid- and the air-phase with suction. Volume changes, shear strength and permeability of unsaturated soils are presented in separate chapters of the first part of the thesis. The experimental investigation of the mechanical behaviour of unsaturated soils performed is presented in the second part of the thesis. The virgin drying branches of the soil-water characteristic curves on natural soils, reconstituted soils in the form of slurries, recomposed and compacted soils were measured. These branches are presented along with the arrays used to measure them (pressure extractors, salt solutions cahmbers and the chilled mirror hygrometer), additional tests monitoring moisture loss during drying in the 110 οC oven or the atmospheric conditions in the laboratory, along with the empirical relations derived from measured properties, especially regarding the evolution of residual void ratio after drying relative to the loading-unloading history of soils. Actually, a family of empirical relations was derived allowing prediction of the residual void ratio after drying from their initial state (as expressed by initial void ratio), their nature (as expressed by the liquid or plastic limit and specific gravity) and their structure. This family of empirical relations is important as residual void ratio after drying constitutes a parameter describing the mechanical behaviour of unsaturated soils, readily used in constitutive models for unsaturated soils, especially in the new theoretical framework developed and presented in the third part. The laboratory investigation also included swelling/collapse tests under one-dimensional loading conditions and unconfined compression and splitting tensile strength tests on samples of reconstituted soils subjected to drying. The combination of the results of the latter two types of tests allowed the estimation of the apparent cohesion developed by the tested reconstituted soils during drying. The evolution of apparent cohesion with suction is an input parameter for constitutive modeling of unsaturated soils used in the new theoretical framework developed. The new theoretical framework for the description of the mechanical behaviour of unsaturated soils that was developed is presented in the third part of the thesis. The already published constitutive models for unsaturated soils are presented first. The first full constitutive model for unsaturated soils developed by Alonso, et al. (1990) is presented at the beginning. Its extensive presentation was deemed necessary as this model was the first to present the mechanical behaviour of unsaturated soils in a unified manner and because all subsequent models are in one or the other way based on this model. This literature review revealed that no existing constitutive model for unsaturated soils predicts various forms of unsaturated soil shear strength evolution with suction (continuous increase, initial increase followed by stabilization or finally initial increase with subsequent decrease in strength). Except for that, no existing constitutive model 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. These two deficits are coverd by the new theoretical framework developed: α. It describes the evolution of tensile strength with suction in order for any type of scenario to be predicted for suction increasing beyond air-entry pressure (further increase in strength, stabilization or decrease). β. 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 (the one measured in the laboratory or predicted by the empeirical relations derived from the exeperimental investigation performed). γ. Prediction of stabilization of void ratio decrease due to drying introduces an area in the p-s-ν space that no plastic volumetric strains are any longer possible due to suction increase but only due to total stress increase. This point is perhaps the most important theoretical contribution of the new framework.	en
heal.advisorName	ΚΑΒΒΑΔΑΣ, ΜΙΧΑΗΛ	el
heal.advisorName	KAVVADAS, MICHAIL	en
heal.committeeMemberName	ΓΚΑΖΕΤΑΣ, ΓΕΩΡΓΙΟΣ	el
heal.committeeMemberName	ΜΠΟΥΚΟΒΑΛΑΣ, ΓΕΩΡΓΙΟΣ	el
heal.committeeMemberName	ΓΕΩΡΓΙΑΝΝΟΥ, ΒΑΣΙΛΙΚΗ	el
heal.committeeMemberName	ΤΣΙΑΜΠΑΟΣ, ΓΕΩΡΓΙΟΣ	el
heal.committeeMemberName	ΠΑΝΤΑΖΙΔΟΥ, ΜΑΡΙΝΑ	el
heal.committeeMemberName	ΛΟΥΚΙΔΗΣ, ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ	el
heal.committeeMemberName	GAZETAS, GEORGIOS	en
heal.committeeMemberName	BOUCKOVALAS, GEORGIOS	en
heal.committeeMemberName	GEORGIANNOU, VASSILIKI	en
heal.committeeMemberName	TSIAMPAOS, GEORGIOS	en
heal.committeeMemberName	Pantazidou, MARINA	en
heal.committeeMemberName	LOUKIDIS, DIMITRIOS	en
heal.academicPublisher	Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	1300
heal.fullTextAvailability	true