Συσχέτιση της Αστράγγιστης ∆ιατµητικής Αντοχής και της Τάσης Προστερεοποίησης Μαργαϊκών Εδαφών Correlation Between the Undrained Shear Strength and Preconsolidation Pressure for Marly Soils ΚΟΝΙΝΗΣ, Γ.Ε. Πολιτικός Μηχανικός, Επιστηµονικός Συνεργάτης, Α.Π.Θ. ΤΙΚΑ, Θ. Μ. Πολιτικός Μηχανικός, Αν. Καθηγήτρια, Α.Π.Θ. ΚΑΛΛΙΟΓΛΟΥ, Π.Α. ∆ρ. Πολιτικός Μηχανικός, Επιστηµονική Συνεργάτιδα, Α.Π.Θ. ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Η εργασία παρουσιάζει αποτελέσµατα δοκιµών συµπιεστότητας, δοκιµών ανεµπόδιστης θλίψης και τριαξονικών δοκιµών (CU και UU) σε µαργαϊκά εδάφη. Τα αποτελέσµατα των δοκιµών επιτρέπουν τη συσχέτιση µεταξύ της τάσης προστερεοποίησης, σ΄p, και της κανονικοποιηµένης αστράγγιστης διατµητικής αντοχής, su / voσ ′ , των εδαφών και δείχνει την ισχυρή επίδραση της δοµής στη συµπεριφορά των µαργαϊκών εδαφών. ABSTRACT: The paper presents results of compressibility tests, as well as unconfined compression and triaxial (CU και UU) tests on marly soils. The results allow the correlation between the preconsolidation pressure, σ΄p, and the normalized undrained shear strength, su / voσ ′ , of the soils. This correlation highlights the strong influence of structure on the behaviour of marly soils. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο γεωτεχνικό σχεδιασµό, η τάση προστερεοποίησης θεωρείται από τις πλέον σηµαντικές παραµέτρους και αντιπροσωπεύει µια τάση διαρροής του εδάφους, η οποία διακρίνει την ελαστική από την πλαστική συµπεριφορά του. Είναι γνωστό επίσης ότι η τάση προστερεοποίησης, σ΄p, όπως αυτή εκτιµάται από δοκιµές µονοδιάστατης συµπίεσης µε σταθερό βήµα φόρτισης (∆σ΄ν/σ΄ν=1) µε τη µέθοδο Cassagrande, αρκετές φορές είναι υψηλότερη από τη µέγιστη κατακόρυφη τάση, στην οποία το έδαφος έχει υποβληθεί στο πεδίο κατά τη γεωλογική ιστορία. Η διαφορά τούτη οφείλεται σε διάφορα φαινόµενα αποδιδόµενα στη δοµή του εδάφους, όπως η δευτερεύουσα συµπίεση, η γήρανση και η ύπαρξη διαγενετικών δεσµών και συγκολλήσεων µεταξύ των κόκκων κ.ά.. Επιπλέον, η συσχέτιση των παραµέτρων της ιστορίας φόρτισης, όπως η σ΄p, και εκείνων της αντοχής του εδάφους, όπως η αστράγγιστη

διατµητική αντοχή, su, έχει αποδειχθεί ότι είναι χρήσιµη στο σχεδιασµό (Ladd & Foott, 1974). Τούτο συµβαίνει διότι για δεδοµένο έδαφος µια τέτοιου είδους συσχέτιση µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη σύγκριση νέων δεδοµένων µε ήδη υπάρχοντα αποτελέσµατα, µπορεί να εµπλουτισθεί προοδευτικά µε περισσότερα δεδοµένα και συνεπώς να οδηγήσει στη µείωση του απαιτούµενου αριθµού νέων δοκιµών. Προς την κατεύθυνση αυτή έχουν προταθεί από διαφόρους ερευνητές σχέσεις της παρακάτω µορφής (Ladd & Foott, 1974 και Jamiolkowski et al., 1985):

m

vo

p

NCvo

u

vo

u ss⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛′

′×⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛′

=′ σ

σσσ

(1)

όπου NCvo

us⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛′σ

είναι η τιµή του λόγου su/ voσ ′ για

κανονικά στερεοποιηµένο έδαφος, voσ ′ είναι η

5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 1

ενεργή κατακόρυφη τάση στο πεδίο και η παράµετρος είναι σταθερά. 8.07.0 −≈m

Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται αποτελέσµατα εργαστηριακών δοκιµών, που πραγµατοποιήθηκαν σε µαργαϊκά εδάφη από την Ελλάδα και την Κύπρο στο Εργαστήριο Εδαφοµηχανικής, Θεµελιώσεων και Γεωτεχνικής Σεισµικής Μηχανικής Α.Π.Θ, και τα οποία επιτρέπουν τη συσχέτιση της su και της σ΄p. Ως γνωστόν, οι µάργες αποτελούν ιζηµατογενή σχηµατισµό ενδιάµεσο µεταξύ της σχιστής αργίλου και του ασβεστόλιθου µε ιδιαίτερο χαρακτηριστικό τη σηµαντική παρουσία ανθρακικών ορυκτών. Η παρουσία των κόκκων του ασβεστίτη ως πρωτογενούς συστατικού σε σηµαντικό ποσοστό και µε οµοιόµορφη κατανοµή στο στερεό σκελετό του εδάφους δηµιουργεί συνδετικούς δεσµούς µεταξύ των εδαφικών κόκκων. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα οι µάργες να εµφανίζονται συχνά ως υπερστερεοποιηµένες και να κατατάσσονται στην κατηγορία των σκληρών εδαφών – µαλακών βράχων (αστράγγιστη διατµητική αντοχή, su>150kPa). 2. ΜΕΛΕΤΗΘΕΝΤΑ Ε∆ΑΦΗ Μελετήθηκαν συνολικά δώδεκα δείγµατα µαργών από την περιοχή της Πάφου (Π1 έως Π5) και της Μαυροπηγής Κοζάνης (Μ1 έως Μ7), οι φυσικές ιδιότητες των οποίων

παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Τα εδάφη προερχόταν από βάθος κυµαινόµενο από 11µ. έως 95µ. και ήταν υπερστερεοποιηµένες άργιλοι ή ιλείς, µε αρχικό δείκτη πόρων µεταξύ του 0.751 και του 1.677, µε δείκτη πλαστικότητας µεταξύ του 17.8% και του 34.3% και µε ποσοστό ανθρακικών µεγαλύτερο του 30%. Η µέθοδος δειγµατοληψίας που χρησιµοποιήθηκε ήταν τύπου φραγµού (µε διάµετρο 8-9 cm) για τα εδάφη Π1 έως Π5 και τύπου Shelby (µε πλαστικό σωλήνα διαµέτρου 10cm) για τα Μ1 έως Μ7.

3. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ∆ΟΚΙΜΕΣ Για τον προσδιορισµό της σ΄p διεξήχθησαν δοκιµές συµπιεστότητας σε οιδήµετρα σταθερού δακτυλίου µε σταθερό βήµα φόρτισης (∆σ΄ν/σ΄ν ≈ 1). Κάθε στάδιο φόρτισης διήρκεσε 24h και η µέγιστη κατακόρυφη τάση κατά τη στερεοποίηση ήταν της τάξης των 5000kPa. Τα αποτελέσµατα των δοκιµών συµπιεστότητας παρουσιάζονται στα Σχήµατα 1 έως 3, ως διαγράµµατα µεταβολής του δείκτη πόρων µε την ενεργή κατακόρυφη τάση. Τα διαγράµµατα επιτρέπουν τον υπολογισµό του λόγου υπερστερεοποίησης, OCR= σ΄p/ voσ ′ .

Για τον προσδιορισµό της su πραγµατοποιήθηκαν δοκιµές ανεµπόδιστης

Πίνακας 1. Φυσικές Ιδιότητες Μελετηθέντων Εδαφών Table 1. Physical Properties of Tested Soils Έδαφος

voσ ′ * (kPa)

Όριο Υδαρό-τητας, WL (%)

Όριο Πλαστι-κότητας, PI (%)

Ειδική Βαρύτητα Στερεών Κόκκων, Gs

∆είκτης Πόρων, eo

+

Υγρα-σία w+ (%)

Αργιλικό Κλάσµα %<2µm

CC** (%)

USCS

Π1 157 52.3 28.5 2.773 0.751 26.2 34 32.9 CH Π2 174 51.7 26.5 2.747 0.822 20.7 31 31.2 CH Π3 219 63.4 34.3 2.717 0.907 31.9 35 40.2 CH Π4 772 51.2 27.0 2.735 0.837 30.1 45 57.4 CH Π5 180 57.9 31.7 2.709 0.989 35.3 51 51.9 CH Μ1 314 55.6 17.8 2.603 1.107 40.8 10 >85 MH Μ2 366 48.6 23.3 2.754 0.889 30.0 21 >85 CL Μ3 655 45.9 22.6 2.756 0.789 27.8 38 >85 CL Μ4 480 52.7 21.5 2.618 1.219 43.2 3 >85 MH M5 272 73.2 18.4 2.562 1.506 54.4 31 >85 MH M6 321 68.0 19.9 2.512 1.677 61.3 45 >85 MH M7 432 65.7 25.5 2.643 1.648 57.2 21 >85 MH

* Ενεργή κατακόρυφη τάση πεδίου, όπως υπολογίστηκε θεωρώντας γ=18kN/m3 και γ=20kN/m3 πάνω και κάτω από τη στάθµη του υδροφόρου ορίζοντα αντίστοιχα, όπου δεν υπήρχαν στοιχεία γεωτρήσεων, και γw=9.81kN/m3

+ Όπως προσδιορίστηκαν στη δοµική συµπιεστότητας **Ποσοστό ανθρακικών ορυκτών, όπως προσδιορίστηκε µε τη µέθοδο του υδροχλωρικού οξέος

5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 2

1 10 100 1000 10000σ´v (kPa)

0.4

0.6

0.8

1.0

e

Έδαφος: Π1OCR=2.9

(α)

p'c

1 10 100 1000 10000σ´v (kPa)

0.4

0.6

0.8

1.0

e

Έδαφος: Π2OCR=9.2

(β)

p'c

1 10 100 1000 10000σ´v (kPa)

0.4

0.6

0.8

1.0

e

Έδαφος: Π3OCR=7.8

(γ)p'c

1 10 100 1000 10000σ´v (kPa)

0.4

0.6

0.8

1.0

e

Έδαφος: Π4OCR=2.6

(δ)p'c

1 10 100 1000 10000σ´v (kPa)

0.4

0.6

0.8

1.0

eΈδαφος: Π5OCR=11.1

(ε)p'c

Σχήµα 1. Αποτελέσµατα δοκιµών συµπιεστότητας για τα εδάφη Π1 έως Π5 Figure 1. Compressibility test results for soils Π1 to Π5

5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 3

1 10 100 1000 10000σ´v (kPa)

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

eΈδαφος: M1

OCR=5.0

(α)p'c

1 10 100 1000 10000σ´v (kPa)

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

e

Έδαφος: M2OCR=5.5

(β)

p'c

1 10 100 1000 10000σ´v (kPa)

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

e

Έδαφος: M3OCR=2.9

(γ)

p'c

1 10 100 1000 10000σ´v (kPa)

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

eΈδαφος: M4

OCR=3.5

(δ)p'c

Σχήµα 2. Αποτελέσµατα δοκιµών συµπιεστότητας για τα εδάφη Μ1 έως Μ4 Figure 2. Compressibility test results for soils Μ1 to Μ4 θλίψης (Π1 έως Π5) και τριαξονικές δοκιµές UU (Μ1 έως Μ4) και CU (Μ5 έως Μ7). Και στους δύο παραπάνω τύπους δοκιµών οι ονοµαστικές διαστάσεις των δοκιµίων ήταν D/L=3.5/7.0 cm (D: διάµετρος και L:µήκος). Η ταχύτητα διάτµησης ήταν 0.5mm/min στις δοκιµές ανεµπόδιστης θλίψης και 0.2mm/min στις τριαξονικές δοκιµές.

Τα αποτελέσµατα των δοκιµών ανεµπόδιστης θλίψης παρουσιάζονται στo Σχήµα 4 για τα εδάφη Π1 έως Π5, ως διαγράµµατα µεταβολής της αντοχής σε ανεµπόδιστη θλίψη, qu, µε την αξονική παραµόρφωση, ε. Στα διαγράµµατα αυτά αναγράφεται επίσης το µέγεθος της αστράγγιστης διατµητικής αντοχής, su=qu

max/2, και της αντίστοιχης ενεργοποιηθείσης αξονικής παραµόρφωσης.

Τα αποτελέσµατα των τριαξονικών δοκιµών

UU παρουσιάζονται στο Σχήµα 5 για τα εδάφη Μ1 έως Μ4, ως κύκλοι του Mohr. Στα αποτελέσµατα αυτά αναγράφεται επίσης το µέγεθος της συνοχής, cu, και της γωνίας τριβής, φu. Από τα µεγέθη αυτά, υπολογίζεται για την τάση πεδίου η αστράγγιστη διατµητική αντοχή, su.

Τα αποτελέσµατα των τριαξονικών δοκιµών CU παρουσιάζονται στο Σχήµα 6 για τα εδάφη Μ5 έως Μ7, ως διαγράµµατα µεταβολής της εκτροπικής τάσης, q=σ1-σ3, µε την αξονική παραµόρφωση, ε.

Ως γνωστόν, η su δεν έχει µοναδική τιµή αλλά εξαρτάται από τον τρόπο µε τον οποίο το έδαφος οδηγείται σε αστοχία. Στις εργαστηριακές δοκιµές η µέτρηση της su επηρεάζεται από τη διατάραξη την οποία έχει υποστεί το έδαφος κατά τη δειγµατοληψία, τη µεταφορά και την αποθήκευση στο εργαστήριο

5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 4

1 10 100 1000 10000σ´v (kPa)

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

e

Έδαφος: M5OCR=5.5

(α)

p'c

1 10 100 1000 10000σ´v (kPa)

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

e

Έδαφος: M6OCR=3.0

(β)p'c

1 10 100 1000 10000σ´v (kPa)

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

e

Έδαφος: M7OCR=1.1

(γ)

p'c

Σχήµα 3. Αποτελέσµατα δοκιµών συµπιεστότητας για τα εδάφη Μ5 έως Μ7 Figure 3. Compressibility test results for soils Μ5 to Μ7

καθώς και τη διαµόρφωση των δοκιµίων για τις δοκιµές. Ο πλέον σοβαρός µηχανισµός διατάραξης είναι η λόγω διάτµησης παραµόρφωση και αλλαγή της δοµής του εδάφους. Άλλοι µηχανισµοί διατάραξης, οι οποίοι λαµβάνουν χώρα κατά την αποθήκευση σε µεγάλα χρονικά διαστήµατα, περιλαµβάνουν ανακατανοµή της υγρασίας από την εξωτερική προς την εσωτερική λιγότερο διαταραγµένη περιοχή του δοκιµίου, το οποίο χρησιµοποιείται στις δοκιµές, και χηµικές αλλαγές περιλαµβανοµένης της οξείδωσης. Επιπλέον, υπάρχουν τρεις βασικές διαφορές µεταξύ της su από δοκιµές ανεµπόδιστης θλίψης και της αντίστοιχης αντοχής από τριαξονικές δοκιµές (CU & UU): (α) Η δοκιµής ανεµπόδιστης θλίψης αρχίζει υπό ισότροπη ενεργή τάση ίση µε την πίεση του νερού των πόρων, η οποία προκαλείται από το µηδενισµό των αρχικών τάσεων του δοκιµίου ( voσ ′ , vook σ ′× ) κατά τη διαδικασία δειγµατοληψίας. (β) Στη δοκιµή ανεµπόδιστης θλίψης το έδαφος οδηγείται συνήθως σε αστοχία µε µεγαλύτερους ρυθµούς παραµόρφωσης. Τούτο σηµαίνει ότι η αστράγγιστη αντοχή από δοκιµές ανεµπόδιστης θλίψης µπορεί να είναι 5-15 % µεγαλύτερη από την αντίστοιχη από δοκιµές τριαξονικής συµπίεσης σε µικρότερους ρυθµούς παραµόρφωσης. (γ) Λόγω της απουσίας περιβάλλουσας τάσης, η ενδεχόµενη ύπαρξη ασυνεχειών ή ζωνών µειωµένης διατµητικής αντοχής, µπορεί να οδηγήσει στον πρόωρο τερµατισµό τους.

4. ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ∆ΟΚΙΜΩΝ

Το Σχήµα 7 δείχνει τη σχέση µεταξύ της κανονικοποιηµένης su / voσ ′ και του λόγου OCR. Από τη συσχέτιση των αποτελεσµάτων προκύπτει η παρακάτω σχέση:

8.0797.0 OCRs

vo

u ×=′σ

(2)

Η παραπάνω εξίσωση δίνει µεγαλύτερες

τιµές συγκριτικά µε αυτές που υπολογίζονται για υπερστερεοποιηµένα µη-µαργαϊκά εδάφη, από αντίστοιχες σχέσεις, όπως η παρακάτω (Jamiolkowski et al., 1985):

5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 5

0 2 4 6 8

ε (%)

100

1000

2000

3000

4000

q u (k

Pa)

Π1 260 6.6Π2 650 2.6Π3 808 2.2Π4 1496 1.5Π5 1004 1.1

Σύµβολο Έδαφος su(kPa) ε(%)

Σχήµα 4. Αποτελέσµατα δοκιµών ανεµπόδιστης θλίψης για τα εδάφη Π1 έως Π5 Figure 4. Unconfined compression test results for soils Π1 to Π5

0 1000 2000 3000 4000 5000σ1, σ3 (kPa)

0

1000

2000

3000

4000

τ (k

Pa)

Έδαφος: M1cu=740kPaφu=19.7o

(α)

0 1000 2000 3000 4000 5000σ1, σ3 (kPa)

0

1000

2000

3000

4000

τ (k

Pa)

Έδαφος: M2cu=918kPaφu=4.7o

(β)

0 1000 2000 3000 4000 5000σ1, σ3 (kPa)

0

1000

2000

3000

4000

τ (k

Pa)

Έδαφος: M3cu=623kPaφu=7.6o

(γ)

0 1000 2000 3000 4000 5000σ1, σ3 (kPa)

0

1000

2000

3000

4000

τ (k

Pa)

Έδαφος: M4cu=1037kPaφu=2.2o

(δ)

Σχήµα 5. Αποτελέσµατα τριαξονικών δοκιµών UU (κύκλοι Mohr) για τα εδάφη Μ1 έως Μ4 Figure 5. Results of triaxial tests UU (Mohr’s cycles) for soils Μ1 to Μ4

5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 6

0 2 4 6ε (%)

0

500

1000

1500

2000

2500q=

σ 1-σ

3 (kP

a)

σ'3 (kPa)192492

1005

Έδαφος: M2 (α)

0 4 8 12 16ε (%)

200

500

1000

1500

2000

q=σ 1

-σ3 (

kPa)

σ'3 (kPa)2494971171

Έδαφος: M5 (β)

0 2 4 6 8ε (%)

100

500

1000

1500

q=σ 1

-σ3 (

kPa)

σ'3 (kPa)2975471108

Έδαφος: M6(γ)

0 5 10 15 20 25ε (%)

0

500

1000

1500

2000

q=σ 1

-σ3 (

kPa)

σ'3 (kPa)3978121607

Έδαφος: M7 (δ)

Σχήµα 6. Αποτελέσµατα τριαξονικών δοκιµών CU για τα εδάφη Μ2, Μ5, Μ6 και Μ7 Figure 6. Results of triaxial tests CU for soils Μ2, Μ5, Μ6 and Μ7

( ) 8.004.023.0 OCRs

vo

u ×±=′σ

(3)

Η διαφορά των σταθερών συντελεστών 0.797 και 0.23±0.04 στις Εξισώσεις (2) και (3) αντίστοιχα δείχνει τη σηµαντική επίδραση της δοµής των µαργαϊκών εδαφών, πλην εκείνης της ιστορίας φόρτισης. Συγκεκριµένα, ο προβλεπόµενος λόγος su / voσ ′ από την Εξίσωση (2) είναι 3.5 φορές µεγαλύτερος από τον αντίστοιχο της Εξίσωσης (3). 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τα αποτελέσµατα των εργαστηριακών δοκιµών της εργασίας αυτής προκύπτουν τα παρακάτω συµπεράσµατα:

(α) Για µαργαϊκά εδάφη η συσχέτιση της κανονικοποιηµένης su / voσ ′ και σ΄p µπορεί να εκφραστεί µε εξίσωση της παρακάτω µορφής:

8.0797.0 OCRs

vo

u ×=′σ

(β) Η παραπάνω εξίσωση δείχνει ότι εκτός

από την ιστορία φόρτισης, η δοµή των µαργαϊκών εδαφών έχει επίσης σηµαντική επίδραση στη συµπεριφορά τους. Συγκεκριµένα οι προβλεπόµενοι λόγοι της su / voσ ′ είναι 3.5 φορές µεγαλύτεροι από τους αντίστοιχα προβλεπόµενους για εδάφη χωρίς δοµή.

5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 7

0 2 4 6 8 10OCR

120

2

4

6

8

su/σ'vo

∆οκιµές ανεµπόδιστης θλίψηςΤριαξονικές δοκιµές (UU)Τριαξονικές δοκιµές (CU)

su/σ'vo = 0.797 x OCR0.8

Σχήµα 7. Μεταβολή της κανονικοποιηµένης αστράγγιστης διατµητικής αντοχής, su / voσ ′ , µε το λόγο υπερστερεοποίησης, OCR Figure 7. Variation of normalized undrained shear strength, su / voσ ′ , versus overconsolidation ratio, OCR 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Jamiolkowski M., Ladd C.C., Germaine J. T. &

Lancellota R. (1985), “New Developments in field and laboratory testing of soils”, Proceedings of XI ICSMEFE, San Francisco, pp. 57-153.

Ladd C.C. & Foott R. (1974), “New design

procdures for stability of soft clays”, ASCE Journal of Geotechnical Engineering Division, Vol. 100, No. GT7, pp. 763-786.

5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/2006 8