Η ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ

ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΗN ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΜΑΤΙΑ

ΝΕΩΝ ΕΡΕΥΝΗΤΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

7 Δεκεμβρίου 2012, Θεσσαλονίκη

E T A M

ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΙΓΜΑΤΩΝ

ΑΜΜΟΥ/ΚΟΚΚΟΠΟΙΗΜΕΝΩΝ ΕΛΑΣΤΙΚΩΝ

Γεώργιος-Αχιλλέας ΠΙΣΤΟΛΑΣ 1

, Αναστάσιος ΑΝΑΣΤΑΣΙΑΔΗΣ2, Κυριαζής

ΠΙΤΙΛΑΚΗΣ3

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Κατά τη διάρκεια των δύο τελευταίων δεκαετιών, πειραματικές και θεωρητικές μελέτες έχουν γίνει

για να αξιολογηθεί η χρήση των κοκκοποιημένων ελαστικών ως ένα ελαφρύ υλικό σε έργα

πολιτικού μηχανικού. Η εφαρμογή μιγμάτων εδάφους / κοκκοποιημένων ελαστικών ή ακόμη και

μόνο κοκκοποιημένων ελαστικών σε γεωτεχνικές κατασκευές ειδικά στις Η.Π.Α. και τη δυτική

Ευρώπη απέδειξαν την αποδοτικότητα αυτής της λύσης. Κύριος στόχος της παρούσας εργασίας

είναι η μελέτη των δυναμικών χαρακτηριστικών κορεσμένων, πυκνών έως πολύ πυκνών, μιγμάτων

άμμου με διάφορα ποσοστά κοκκοποιημένων ελαστικών ( από 0% έως 60% κ.β.) σε μεγάλα πλάτη

παραμόρφωσης, με δοκιμές ανακυκλικής τριαξονικής φόρτισης.

Οι κύριες παράμετροι που εξετάζονται είναι το μέτρο διάτμησης και το ποσοστό απόσβεσης των

μιγμάτων συναρτήσει του ποσοστού των ελαστικών στο μίγμα, του πλάτους της επιβαλλόμενης

παραμόρφωσης και του επιπέδου της μέσης περιβάλλουσας τάσης. Η παρούσα εργασία αποτελεί

μέρος ενός εκτενούς πειραματικού προγράμματος που βρίσκεται σε εξέλιξη στο Εργαστήριο

Εδαφομηχανικής, Θεμελιώσεων και Αντισεισμικής Γεωτεχνικής Μηχανικής του Αριστοτελείου

Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, με κύριο στόχο να εξετάσει την δυνατότητα της βελτίωσης της

συμπεριφοράς του εδάφους και του συστήματος εδάφους – κατασκευής υπό σεισμικά φορτία, με

τη χρήση φυσικών και συνθετικών υλικών.

Λέξεις κλειδιά: μίγματα άμμου/κοκκοποιημένων ελαστικών, ενίσχυση εδάφους, απόσβεση,

μέτρο ελαστικότητας, τριαξονική δοκιμή ανακυκλικής φόρτισης

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η χρήση μιγμάτων μη συνεκτικών εδαφών με κοκκοποιημένα ελαστικά προωθείται τις τελευταίες

δεκαετίες τόσο λόγω των βελτιωμένων ιδιοτήτων του τελικού μίγματος ως προς τα πρωτογενή υλικά

όσο και λόγω της ανάγκης εκμετάλλευσης του αποθέματος χρησιμοποιημένων ελαστικών για

περιβαλλοντικούς λόγους.

Σε προηγούμενες εργασίες άλλων ερευνητών [Humphrey and Manion (1992), Edeskar (2006),

Kawata et al. (2007), Edincliler (2007)] έχουν μελετηθεί συστηματικά οι παράμετροι αντοχής και 1 Υποψήφιος Διδάκτορας, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, e-mail:

gpistola@civil.auth.gr 2 Επίκουρος καθηγητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, e-mail:

anas@civil.auth.gr 3 Καθηγητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, e-mail: kpitilak@civil.ntua.gr

Η ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ

ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΗN ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΜΑΤΙΑ

ΝΕΩΝ ΕΡΕΥΝΗΤΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

7 Δεκεμβρίου 2012, Θεσσαλονίκη

E T A M

συμπύκνωσης ενώ η επιρροή του ποσοστού του ελαστικού του μίγματος στα δυναμικά

χαρακτηριστικά και το δυναμικό ρευστοποίησης του υλικού έχει παρουσιαστεί από τους Feng and

Sutter (2000), Anastasiadis et al. (2009) and Senetakis et al. (2011).

Η παρούσα εργασία μελετά τη δυναμική απόκριση, σε όρους μέτρου διάτμησης και ποσοστού

απόσβεσης στη μη γραμμική περιοχή παραμορφώσεων, μιγμάτων μέσης, ομοιόμορφης άμμου και

κοκκοποιημένων ελαστικών σε ποσοστό κατά βάρος (κ.β.) μίγματος από 0% έως 60%. Τα δείγματα

που ελέγχονται είναι πυκνά και κορεσμένα και οι κυριότερες παράμετροι που εξετάζονται είναι το

μέτρο διάτμησης και το ποσοστό απόσβεσης συναρτήσει του ποσοστού του ελαστικού στο μίγμα,

του πλάτους παραμόρφωσης και του επιπέδου της μέσης περιβάλλουσας τάσης.

2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 2.1 Υλικά

Τα πρωτογενή υλικά των μιγμάτων που χρησιμοποιούνται είναι μία φυσική ποταμίσια άμμος με

στρογγυλεμένους κόκκους με δείκτη D50= 0.4 και Cu= 2.40 και ένα ομοιόμορφο κοκκοποιημένο

ελαστικό με δείκτη D50= 1.55 και Cu= 1.78. Το κοκκοποιημένο ελαστικό της παρούσας εργασίας

προέρχεται από ανακυκλωμένα κομμάτια ελαστικών αυτοκινήτων. Στον Πίνακα 1 δίδονται οι

φυσικές ιδιότητες των πρωτογενών υλικών και στο Σχήμα 1 φαίνονται οι κοκκομετρικές καμπύλες

της άμμου και του ελαστικού υλικού.

Πίνακας 2.1. Φυσικές ιδιότητες πρωτογενών υλικών άμμου και κοκκοποιημένων ελαστικών

Ονομασία υλικού Πρωτογενές υλικό Dmax

(mm)

D50

(mm) a Cu

b Cc

c γs (gr/cm

3)

d

Άμμος C2D04 Ποταμίσια Άμμος 2.00 0.40 2.40 0.89 2.67

Ελαστικό R2 Κόκκοι Ελαστικών 2.00 1.55 1.78 0.96 1.10

a Μέση διάμετρος κόκκων

b Συντελεστής ομοιομορφίας

c Συντελεστής κοιλότητας

d Ειδικό βάρος στερεών κόκκων

2.2 Πειραματική διαδικασία

Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές ανακυκλικής τριαξονικής φόρτισης στην συσκευή ELDyn του

Εργαστηρίου Εδαφομηχανικής, Θεμελιώσεων και Αντισεισμικής Γεωτεχνικής Μηχανικής του

Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Η συσκευή αυτή Enterprise Level Dynamic Triaxial

System κατασκευασμένη από την εταιρεία GDS και εγκαταστάθηκε στο εργαστήριο τον Απρίλιο του

2011. Έχει ηλεκτρομαγνητικό κινητήρα με δυνατότητα παραμόρφωσης έως 100mm και μέγιστο

φορτίο ±5KN σε συχνότητες έως 5Hz.

Τα δοκίμια που εξετάστηκαν είναι κυλινδρικά με διάμετρο 71.1mm και ύψος 142.2mm και

κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας μεταλλική μήτρα αντίστοιχων διαστάσεων.

Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές ελεγχόμενης ημιτονοειδούς παραμόρφωσης όπως φαίνεται στο

Η ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ

ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΗN ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΜΑΤΙΑ

ΝΕΩΝ ΕΡΕΥΝΗΤΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

7 Δεκεμβρίου 2012, Θεσσαλονίκη

E T A M

παραπάνω Σχήμα 2.2 και η επεξεργασία των αποτελεσμάτων έγινε σύμφωνα με τα πρότυπα της

Αμερικανικής Ένωσης Δοκιμών και Υλικών ASTM D3999-91 (R2003) και D5311-92 (R2004).

Σχήμα 2.1. Κοκκομετρικές καμπύλες πρωτογενών

υλικών άμμου και κοκκοποιημένων ελαστικών

Σχήμα 2.2. Ενδεικτικοί κύκλοι φόρτισης δοκιμίου με

ποσοστό ελαστικού 80% κ.β.-πλάτη επιβαλλόμενης

παραμόρφωσης 0.448%, 0.896%, 1.792%

Εξετάστηκαν πέντε κορεσμένα δοκίμια μίγματος άμμου με κοκκοποιημένο ελαστικό με ποσοστό

ελαστικού κλάσματος 0-20-40-60-100% κατά βάρος (κ.β.) του μίγματος. Ο λόγος D50,r/D50,s ήταν ίσος

με 4:1. Τα επίπεδα μέσης περιβάλλουσας τάσης που εφαρμόστηκαν ήταν 50kPa,100kPa,200kPa και

400kPa. Ο χρόνος στερεοποίησης που εφαρμόστηκε μεταξύ των τεσσάρων αυτών επιπέδων μέσης

περιβάλλουσας τάσης ήταν 60', και κρίνεται ικανοποιητικός χρόνος στερεοποίησης για κοκκώδη

εδάφη [Anastasiadis et al. (2009), Senetakis (2011) και Menq (2003)]. Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές

στη μη γραμμική περιοχή παραμορφώσεων. Οι τιμές της διατμητικής παραμόρφωσης (γ) για τις

οποίες ελέγχθηκαν τα δοκίμια ήταν 0.01-0.03-0.06-0.11-0.23-0.46-0.91 και 1.82%, περίπου.

Με το υπόψη πρόγραμμα δοκιμών μπορούν να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με το μέτρο

διάτμησης και το ποσοστό απόσβεσης της πρωτογενούς άμμου στη μη γραμμική περιοχή

παραμορφώσεων συναρτήσει του ποσοστού κ.β. ελαστικού στο μίγμα, του επιπέδου της μέσης

περιβάλλουσας τάσης και του επιπέδου παραμόρφωσης.

3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ 3.1 Αποτελέσματα μέτρου διάτμησης και ποσοστού απόσβεσης

Το μέτρο διάτμησης και το ποσοστό απόσβεσης των μιγμάτων εκτιμάται πειραματικά στη μη

γραμμική περιοχή παραμορφώσεων, δηλαδή για γ ≥ 10-2

%. Οι τιμές του μέτρου διάτμησης που

προέκυψαν για τα μίγματα στα επίπεδα μέσης περιβάλλουσας τάσης 50kPa, 100kPa, 200kPa, και

400kPa φαίνονται στο παρακάτω Σχήμα 3.1.

Όσο αφορά το μέτρο διάτμησης, όπως ήταν αναμενόμενο παρατηρείται μία σταδιακή μείωσή του

με την αύξηση του ποσοστού του ελαστικού στο μίγμα. Η αύξηση του ποσοστού ελαστικού στο

Η ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ

ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΗN ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΜΑΤΙΑ

ΝΕΩΝ ΕΡΕΥΝΗΤΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

7 Δεκεμβρίου 2012, Θεσσαλονίκη

E T A M

μίγμα, έχει ως αποτέλεσμα την τάση σταθεροποίηση του μέτρου διάτμησης σε μεγάλο εύρος

παραμορφώσεων. Για περιεχόμενο ποσοστό ελαστικού 40% κ.β. και μεγαλύτερο στο μίγμα, η τάση

του μέτρου διάτμησης να μη μειώνεται πολύ με την αύξηση του επιπέδου παραμόρφωσης, να

ομοιάσει στη συμπεριφορά του καθαρού ελαστικού, γίνεται εντονότερη, όπως έχει παρατηρηθεί

και από τον Senetakis (2011) για μίγματα με Dr>>Ds.

Σχήμα 3.1. Μεταβολή του μέτρου διάτμησης G και του ποσοστού απόσβεσης με τη διατμητική

παραμόρφωσης για σ3=25-50-100-200-400kPa και ποσοστό ελαστικού κ.β. μίγματος 0-10-20-30-40-50-60-

100%

Η αύξηση της μέσης περιβάλλουσας τάσης οδηγεί σε σημαντική αύξηση των τιμών του μέτρου

διάτμησης της καθαρής άμμου. Η εικόνα αυτή δεν παρατηρείται στο δείγμα καθαρού ελαστικού,

όπου το μέτρο διάτμησης παραμένει σχεδόν σταθερό, ανεξάρτητα από το επίπεδο της μέσης

περιβάλλουσας τάσης. Η ιδιότητα αυτή του καθαρού ελαστικού εμφανίζεται σε μεγάλο βαθμό και

στα μίγματα με ποσοστό ελαστικού ≥40% κ.β. μίγματος.

Το ποσοστό απόσβεσης, μειώνεται με την αύξηση του ποσοστού του ελαστικού στο μίγμα. Ωστόσο,

σε μεγάλα επίπεδα επιβαλλόμενης παραμόρφωσης οι τιμές του ποσοστού απόσβεσης των

μιγμάτων είναι μεγαλύτερες από τις τιμές της καθαρής άμμου. Στο δείγμα της καθαρής άμμου το

ποσοστό απόσβεσης αυξάνεται καθώς αυξάνεται η επιβαλλόμενη παραμόρφωση λόγω των μη

γραμμικών φαινομένων ενώ το ποσοστό απόσβεσης του δείγματος καθαρού ελαστικού παρουσιάζει

περιορισμένη. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι παραμένουσες παραμορφώσεις του ελαστικού

υλικού είναι μικρές σε αυτά τα επίπεδα επιβαλλόμενης παραμόρφωσης, παρά την κοκκώδη φύση

του. Το περιορισμένο εύρος των παραμενουσών παραμορφώσεων μπορεί να αποδοθεί τόσο στην

περιορισμένη αναδιάταξη των κόκκων του καθαρού ελαστικού λόγω μεγαλύτερου συντελεστή

τριβής μεταξύ τους, συγκριτικά με της καθαρής άμμου, όσο και στην ανάληψη της επιβαλλόμενης

μετακίνησης με παραμόρφωση των κόκκων η οποία δημιουργεί δυνάμεις επαναφοράς κατά την

Η ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ

ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΗN ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΜΑΤΙΑ

ΝΕΩΝ ΕΡΕΥΝΗΤΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

7 Δεκεμβρίου 2012, Θεσσαλονίκη

E T A M

αναίρεση της επιβαλλόμενης μετακίνησης οδηγώντας σε μείωση του ποσοστού απόσβεσης. Η

μεταβολή του ποσοστού απόσβεσης με την αύξηση του ποσοστού του ελαστικού των μιγμάτων

τείνει σε αυτήν του καθαρού ελαστικού. Για ποσοστό ελαστικού ≥40% κ.β. μίγματος, η επιρροή στις

τιμές της απόσβεσης είναι μικρότερη.

Η αύξηση του επιπέδου της μέσης περιβάλλουσας τάσης οδηγεί σε σημαντική μείωση του

ποσοστού απόσβεσης της καθαρής άμμου. Στο δείγμα καθαρού ελαστικού το επίπεδο της μέσης

περιβάλλουσας τάσης, στο εύρος βέβαια των τιμών που εφαρμόστηκαν στην παρούσα εργασία, δεν

επηρεάζει σημαντικά το ποσοστό απόσβεσης. Η τάση αυτή παρατηρείται και στα μίγματα όσο το

ποσοστό κ.β. του ελαστικού υλικού αυξάνεται και γίνεται εντονότερα εμφανής για ποσοστά

ελαστικού ≥40% κ.β.. Σε αυτά τα επίπεδα ποσοστού ελαστικού οι τιμές του ποσοστού απόσβεσης

των δειγμάτων φαίνεται ότι δεν επηρεάζονται πολύ από την αύξηση του περιεχόμενου ποσοστού

ελαστικού, ούτε από το επίπεδο της μέσης περιβάλλουσας τάσης αλλά ακολουθούν μία σχεδόν

ταυτόσημη αυξητική τάση.

3. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η αύξηση του ποσοστού ελαστικού στα μίγματα οδηγεί σε μία μείωση του μέτρου ελαστικότητας

και του ποσοστού απόσβεσης στο επίπεδο των μη γραμμικών παραμορφώσεων που διερευνώνται

στην παρούσα εργασία. Ωστόσο παρατηρείται μια μεγαλύτερη σταθερότητα των παραμέτρων

αυτών των μιγμάτων με μεγαλύτερο ποσοστό ελαστικού, συγκριτικά με αυτά με μικρότερα ποσοστά

ή καθόλου ελαστικό, καθώς το επίπεδο επιβαλλόμενης παραμόρφωσης αυξάνει.

Παρατηρήθηκε ότι η αύξηση της μέσης περιβάλλουσας τάσης οδηγεί εν γένει σε μία αύξηση του

μέτρου διάτμησης και μείωση του ποσοστού απόσβεσης της καθαρής άμμου. Το επίπεδο της μέσης

περιβάλλουσας τάσης δεν επηρεάζει το μέτρο διάτμησης, το ποσοστό απόσβεσης και το ρυθμό

μείωσής του καθώς αυξάνεται η επιβαλλόμενη παραμόρφωση, του δείγματος καθαρού ελαστικού.

Η παρατήρηση αυτή ισχύει και στα μίγματα ανάλογα με το ποσοστό ελαστικού τους και είναι πιο

εμφανής σε μίγματα με ποσοστό ελαστικού ≥ 40% κατά βάρος μίγματος.

Η μεταβολή τόσο του μέτρου διάτμησης όσο και του ποσοστού απόσβεσης που εμφανίζουν τα

μίγματα με την αύξηση του περιεχόμενου ποσοστού ελαστικού, μέχρι το υψηλό επίπεδο

παραμόρφωσης που μελετήθηκε στη παρούσα εργασία, αναδεικνύουν σαν σημαντικότερη και

εκμεταλλεύσιμη ιδιότητα των υλικών αυτών το χαμηλό μέτρο διάτμησής τους το οποίο σε

συνδυασμό με τη σχετικά υψηλή, για αυτά τα επίπεδα μέτρου διάτμησης, αντοχή τους μπορεί να

δημιουργήσουν ένα είδος σεισμικής μόνωσης όταν τα υλικά αυτά εφαρμόζονται σε θεμελιώσεις ή

γενικά στηρίξεις κατασκευών.

4. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ ASTM (1991) 'Standard test methods for the determination of the Modulus and Damping

Properties of soils using the Cyclic Triaxial Apparatus: D3999-91 (Reapproved 1996)'. Annual Book of

ASTM Standards, ASTM International.

ASTM (1992) 'Standard test methods for Load Controlled Cyclic Triaxial Strength of Soil: D5311-92

(Reapproved 2004)'. Annual Book of ASTM Standards, ASTM International.

Η ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ

ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΗN ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΜΑΤΙΑ

ΝΕΩΝ ΕΡΕΥΝΗΤΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

7 Δεκεμβρίου 2012, Θεσσαλονίκη

E T A M

Humphrey D, Manion W (1992) 'Properties of tire chips for lightweight fill'. Grouting Soil Improv

Geosynth 2: 1344–1355.

Feng Z-Y, Sutter KG (2000) 'Dynamic properties of granulated rubber/sand mixtures'. Geotech

Test J 23(3):338–344.

Menq FY (2003) 'Dynamic Properties of Sandy and Gravelly Soils'. Ph.D. Dissertation, University of

Texas at Austin, USA.

Edeskar T (2006) 'Use of tyre shreds in civil engineering applications—Technical and

environmental properties'. PhD Dissertation, Lulea University of Technology, Department of Civil and

Environmental Engineering, Division of Mining and Geotechnical Engineering, Sweden.

Kawata S, Hyodo M, Orense P, Yamada S, Hazarika H (2007) 'Undrained and drained shear

behavior of sand and tire chips composite material'. In: Hazarika and Yasuhara (eds) Proceedings of

the international workshop on scrap tire derived geomaterials—opportunities and challenges,

Yokosuka, Japan, pp 277–283.

Edincliler A (2007) 'Using waste tire-soil mixtures for embankment construction'. In: Hazarika and

Yasuhara (eds) Proceedings of the international workshop on scrap tire derived geomaterials—

opportunities and challenges, Yokosuka, Japan, pp 319–328.

Anastasiadis A, Pitilakis K, Senetakis K (2009) 'Dynamic shear modulus and damping ratio curves of

sand/rubber mixtures'. In: Proceedings of the earthquake geotechnical engineering satellite

conference, XVIIth international conference on soil mechanics & geotechnical engineering,

Alexandria, Egypt, 2009.

Senetakis K (2011) 'Dynamic properties of granular soils and mixtures of typical sands and gravels

with recycled synthetic materials'. Ph.D. Dissertation, Department of Civil Engineering, Aristotle

University of Thessaloniki, Greece (in Greek).

Anastasiadis A, Senetakis K, Pitilakis K, Gargala C, Karakasi I (2012) 'Dynamic behavior of

sand/rubber mixtures, Part I: Effect of rubber content and duration of confinement on small-strain

shear modulus and damping ratio'. J ASTM Int 9(2) (available online at www.astm.org).