Πειραματική διερεύνηση της ανισότροπης συμπεριφοράς άμμου σταθεροποιημένης με κολλοειδή πυριτία

Παυλοπούλου, Ελένη-Μαρία; Pavlopoulou, Eleni-Maria

dc.contributor.author	Παυλοπούλου, Ελένη-Μαρία	el
dc.contributor.author	Pavlopoulou, Eleni-Maria	en
dc.date.accessioned	2024-02-02T10:00:01Z
dc.date.available	2024-02-02T10:00:01Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58756
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26452
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	Ρευστοποίηση	el
dc.subject	Κολλοειδής πυριτία	el
dc.subject	Στροφή κύριων αξόνων τάσεων	el
dc.subject	Ανακυκλικές τριαξονικές δοκιμές	el
dc.subject	Ανισότροπη δομή	el
dc.subject	Liquefaction	en
dc.subject	Colloidal Silica	en
dc.subject	Anisotropic fabric	en
dc.subject	Stress rotation	en
dc.subject	Cyclic triaxial tests	en
dc.title	Πειραματική διερεύνηση της ανισότροπης συμπεριφοράς άμμου σταθεροποιημένης με κολλοειδή πυριτία	el
dc.title	Experimental investigation of the anisotropic behaviour of sand stabilized with colloidal silica	en
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Βελτίωση εδαφών	el
heal.classification	Εδαφομηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-07-11
heal.abstract	Η ρευστοποίηση μη συνεκτικών εδαφών κατά τη διάρκεια σεισμικών διεγέρσεων μπορεί να προκαλέσει σημαντικές ζημιές στην ανωδομή, έως και την πλήρη αστοχία. Η αποτροπή του κινδύνου ρευστοποίησης σε θέσεις νέων κατασκευών μπορεί να επιτευχθεί με μία σειρά από καθιερωμένες μεθοδολογίες βελτίωσης του εδάφους πριν την κατασκευή του κτιρίου ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του ρευστοποιήσιμου εδάφους. Σε περιπτώσεις που η βελτίωση του εδάφους εφαρμόζεται σε περιοχές με υφιστάμενες κατασκευές, οι κατάλληλες μέθοδοι είναι λίγες και συνήθως συνοδεύονται από πολλά μειονεκτήματα (βελτίωση του εδάφους σε μικρό τμήμα της κάτοψης, πρόκληση προβλημάτων στη θεμελίωση λόγω της εισπίεσης ενεμάτων υπό υψηλή πίεση κλπ.). Οι ανωτέρω συνθήκες οδήγησαν στην ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου βελτίωσης εδαφών, της παθητικής σταθεροποίησης (passive site stabilization) (Gallagher, 2000). Πρόκειται για την εισπίεση με χαμηλή υδραυλική κλίση ενός σταθεροποιητή (stabiliser), δηλαδή ενός υλικού που αποτελείται από περιβαλλοντικώς ασφαλή νανο-σωματίδια, με διάφορες πιθανές μορφές χημικής σύστασης, στο ρευστοποιήσιμο έδαφος θεμελίωσης ολόκληρης της κάτοψης μιας υφιστάμενης κατασκευής. Η διήθηση του σταθεροποιητή μπορεί να επιτευχθεί είτε μέσω της φυσικής ροής κατασκευάζοντας ένα φρέαρ με τον σταθεροποιητή ανάντη της κατασκευής, είτε επιβάλλοντας συνθήκες ροής κατασκευάζοντας φρέατα παροχής και άντλησης με χαμηλή υδραυλική κλίση. Η κολλοειδής πυριτία Ludox-SM® που επιλέχθηκε ως σταθεροποιητής στην παρούσα διατριβή αρχικά έχει τη μορφή υγρολύματος και με την πάροδο του χρόνου υφίσταται ελεγχόμενη μετατροπή σε γέλη, με ταυτόχρονη αύξηση του ιξώδους του. Ρυθμίζοντας τους κατάλληλους παράγοντες (pH, περιεκτικότητα σε αλάτι, θερμοκρασία) η μετατροπή γίνεται σε συγκεκριμένο χρόνο ώστε να έχει ολοκληρωθεί η διοχέτευση ομοιόμορφα σε όλη την περιοχή της κάτοψης. Μέσω του εμπλουτισμού του υγρού των πόρων με τον σταθεροποιητή αλλάζει η μηχανική συμπεριφορά του συστήματος εδαφικού σκελετού - υγρού των πόρων και επιτυγχάνεται υψηλότερη αντοχή, αυξημένη διαστολικότητα και αντίσταση σε ρευστοποίηση (Gallagher & Mitchell, 2002; Kodaka et al., 2005; Díaz-Rodríguez et al., 2008; Porcino et al., 2011, 2012; Vranna & Tika, 2015). Παρόλο που οι προαναφερθείσες εργαστηριακές μελέτες έχουν δώσει απαντήσεις σε αρκετά ζητήματα που αφορούν αυτή τη νέα ελκυστική μέθοδο σταθεροποίησης άμμων, τα αποτελέσματά τους βασίζονται στις κλασικές δοκιμές μέτρησης της αντίστασης σε ρευστοποίηση στην τριαξονική συσκευή ή τη συσκευή απλής διάτμησης οι οποίες δεν έχουν τη δυνατότητα διερεύνησης της ανισότροπης συμπεριφοράς των σταθεροποιημένων άμμων. O όρος της ανισοτροπίας των εδαφικών υλικών αναφέρεται στην εξάρτηση της μηχανικής τους συμπεριφοράς (αντοχή, διαστολικότητα, δυστμησία) από τη διεύθυνση της φόρτισης λόγω της ανισότροπης δομής τους. Η προσανατολισμένη εσωτερική διάταξη των κόκκων και των κενών, δηλαδή η διάταξη των κόκκων, ο προσανατολισμός των διανυσμάτων που είναι κάθετα στις μεταξύ τους επαφές, η κατανομή και ο προσανατολισμός των κενών ορίζουν τη δομή (fabric) του υλικού (Mitchell & Kenichi, 1976). Για την εφαρμογή της παθητικής σταθεροποίησης στην πράξη απαιτείται η ολοκληρωμένη γνώση της απόκρισης του σταθεροποιημένου εδάφους υπό διάφορες συνθήκες φόρτισης. Στο πλαίσιο της διατριβής διερευνάται πειραματικά η αποτελεσματικότητα της «νέας» μεθόδου βελτίωσης μη συνεκτικών εδαφών μέσω δοκιμών μονοτονικής και ανακυκλικής φόρτισης εξετάζοντας την επίδραση του σχήματος των κόκκων, των συνθηκών στράγγισης και της ενεργού τάσης μέσω κλασσικών δοκιμών αλλά και υπό συνθήκες γενικευμένης φόρτισης μέσω εξειδικευμένων δοκιμών στη Συσκευή Στρέψης Κοίλου Κυλινδρικού Δοκιμίου. Η σταθεροποίηση με κολλοειδή πυριτία φαίνεται να οδηγεί σε μεγαλύτερη ενδοσιμότητα κατά τη μονοδιάστατη συμπίεση διευκολύνοντας την ολίσθηση μεταξύ των κόκκων (πλαστικές παραμορφώσεις), ενώ κατά την αποφόρτιση δε φαίνεται να επηρεάζει την ανάπτυξη των οιονεί ελαστικών παραμορφώσεων. Υπό τριαξονική θλίψη η σταθεροποιημένη άμμος αναπτύσσει πολύ μεγαλύτερη διαστολικότητα σε σχέση με την άμμο που οδηγεί σε υψηλότερη μέγιστη αντοχή. Η βελτιωμένη αντοχή της άμμου και η έντονη τάση για διαστολή, μετά τη σταθεροποίησή της με υγρόλυμα κολλοειδούς πυριτίας περιεκτικότητας CS=10%, μειώνεται σταδιακά με την αύξηση της τάσης και τη συσσώρευση της διατμητικής παραμόρφωσης. Στην τελική κρίσιμη κατάσταση ο λόγος τάσεων των σταθεροποιημένων δοκιμίων προσομοιάζει τον λόγο των δοκιμίων άμμου όταν πλέον κυριαρχούν τα χαρακτηριστικά τριβής στις επαφές των κόκκων. Κατά την ανακυκλική φόρτιση της χαλαρής άμμου εμφανίζεται ραγδαία αύξηση της υπερπίεσης πόρων με ταυτόχρονη ανάπτυξη μεγάλης αξονικής παραμόρφωσης όταν η τασική διαδρομή κατά την ανακυκλική φόρτιση φτάσει την οριακή γραμμή αστάθειας και το δοκίμιο οδηγείται στη ρευστοποίηση. Στη σταθεροποιημένη άμμο η αξονική παραμόρφωση συσσωρεύεται σταδιακά από τον πρώτο κύκλο φόρτισης και παρά τον μηδενισμό της ενεργού τάσης (αρχική ρευστοποίηση), το δοκίμιο δεν ρευστοποιείται. Ενώ το αρχικό μέτρο δυστμησίας της φυσικής άμμου είναι ίσο ή μεγαλύτερο από εκείνο της σταθεροποιημένης άμμου, κατά την αρχική ρευστοποίηση μειώνεται ραγδαία και πρακτικά μηδενίζεται, ενώ η δυστμησία της σταθεροποιημένης άμμου απομειώνεται σταδιακά. Ωστόσο, επειδή στα περισσότερα γεωτεχνικά προβλήματα οι αρχικές εντατικές καταστάσεις και οι συνθήκες φόρτισης είναι σύνθετες περιλαμβάνοντας αλλαγές τόσο στο μέγεθος των κύριων τάσεων (σ1, σ2, σ3) όσο και στη διεύθυνσή τους, η μελέτη της απόκρισης του εδάφους υπό γενικευμένες συνθήκες φόρτισης είναι αναγκαία. Γι’ αυτό το σκοπό, για πρώτη φορά μελετάται η επίδραση της μεταβολής της διεύθυνσης των κυρίων τάσεων στην απόκριση της σταθεροποιημένης άμμου μέσω δοκιμών τριαξονικού εφελκυσμού και εξειδικευμένων πειραμάτων στη συσκευή Στρεπτικής Διάτμησης Κοίλου Κυλινδρικού Δοκιμίου. Αρχικά προσδιορίστηκε ένα πλαίσιο που περιγράφει την ανισότροπη απόκριση της άμμου και στη συνέχεια το πλαίσιο αυτό χρησιμοποιήθηκε ως βάση αναφοράς για την ανάδειξη της βελτιωμένης συμπεριφοράς της σταθεροποιημένης άμμου. Σε δοκιμές μονοτονικής φόρτισης υπό σταθερή γωνία α στην άμμο, η βέλτιστη μηχανική συμπεριφορά εμφανίζεται όταν η μέγιστη κύρια τάση είναι κάθετη στο επίπεδο διαστρωμάτωσης (α=0°). Η απόκριση της άμμου γίνεται πιο συστολική όσο ο σ’1-άξονας απομακρύνεται από την κατακόρυφο με αποτέλεσμα η αντοχή της να μειώνεται με τη γωνία α. Για συγκεκριμένη τιμή της γωνίας α η αύξηση της παραμέτρου ενδιάμεσης κύριας τάσης (b) οδηγεί σε σημαντική μείωση της διατμητικής αντοχής και αύξηση της συστολικότητας. Η σταθεροποιημένη άμμος εμφανίζει έντονα ανισότροπη συμπεριφορά όπως η άμμος. Όταν ο σ’1-άξονας απομακρύνεται από την κατακόρυφο η αντοχή της μειώνεται σημαντικά και η συστολή αυξάνεται. Η μικρότερη αντοχή παρατηρείται όταν α=60° όπως και στην περίπτωση της πυκνής άμμου Μ31. Ανεξάρτητα της γωνίας α η μέγιστη αντοχή της σταθεροποιημένης άμμου είναι μεγαλύτερη και από αυτή της πυκνής άμμου Μ31. Επιπρόσθετα, η προσθήκη σταθεροποιητή μειώνει τη συστολή και αυξάνει τη διαστολικότητα. Ωστόσο, για α≥45° η σταθεροποιημένη άμμος εμφανίζει ασθενέστερη απόκριση από την άμμο σε χαμηλό λόγο τάσεων, με τη συσσώρευση πλαστικής παραμόρφωσης υπό σταθερό όγκο. Όταν η επιβολή της φόρτισης γίνεται μέσω ελέγχου της τάσης και η στράγγιση είτε είναι εμποδιζόμενη είτε ελεύθερη, η δεύτερη είναι εφικτή πριν και μετά την ασταθή απόκριση, η σταθεροποιημένη χαλαρή άμμος εμφανίζει ασταθή συμπεριφορά, όπως θα έκανε και η χαλαρή άμμος υπό συνθήκες εμποδιζόμενης στράγγισης. Στη συνέχεια της φόρτισης, όταν αρχίζει η διαστολική συμπεριφορά, η σταθεροποιημένη άμμος αναπτύσσει μεγαλύτερη μέγιστη αντοχή και από την πυκνότερη άμμο. Στις δοκιμές συνεχούς στροφής των αξόνων των κυρίων τάσεων υπό σταθερές τιμές αποκλίνουσας τάσης q, μέσης ενεργού τάσης p’ και παραμέτρου b, η απόκριση του δοκιμίου λόγω της περιστροφής των αξόνων αντανακλά αποκλειστικά την διαφορετική δομή στην αρχή της δοκιμής. Κατά τη στροφή των αξόνων συσσωρεύεται συστολική ογκομετρική παραμόρφωση και αναπτύσσονται πλαστικές επιμέρους παραμορφώσεις. Το μέγεθος των παραμορφώσεων εξαρτάται από την πυκνότητα της άμμου, την τιμή της παραμέτρου ενδιάμεσης κύριας τάσης και τoυ επιβαλλόμενου λόγου τάσεων. Η στροφή των αξόνων των κύριων τάσεων υπό υψηλό λόγο τάσεων οδηγεί στην ανάπτυξη μεγάλων παραμορφώσεων και σε αστοχία των δοκιμίων. Απόκλιση της κύριας κατεύθυνσης τάσεων από την αντίστοιχη κατεύθυνση της κύριας προσαυξητικής πλαστικής παραμόρφωσης (μη συγγραμικότητα) παρατηρείται στη φυσική και σταθεροποιημένη άμμο υπό δοκιμές μονοτονικής φόρτισης ειδικά όταν 30°≤α≤60°. Η απόκλιση είναι ιδιαίτερα σημαντική στο αρχικό στάδιο της φόρτισης. Σε σχέση με τη φόρτιση υπό σταθερή γωνία α, η μη συγγραμικότητα της άμμου είναι πιο έντονη υπό συνεχή μεταβολή της γωνίας α. Η γωνία μη ομοαξονικότητας μειώνεται όταν η στροφή πραγματοποιείται υπό μεγαλύτερο λόγο τάσεων και όταν αυξάνεται η παράμετρος b. Γενικά, η συμπεριφορά της άμμου γίνεται πρακτικά ομοαξονική με τη συσσώρευση διατμητικής παραμόρφωσης κατά την όδευση προς την αστοχία.	el
heal.advisorName	Γεωργιάννου, Βασιλική	el
heal.advisorName	Georgiannou, vassiliki	en
heal.committeeMemberName	Γεωργιάννου, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Τσιαμπάος, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.committeeMemberName	Μπουκοβάλας, Γεώργιος	en
heal.committeeMemberName	Γερόλυμος, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Τίκα, Θεοδώρα	el
heal.committeeMemberName	Μάρκου, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Γεωτεχνικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	508 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false