Sưng đất và mối quan hệ khối lượng / khối lượng

Cho độ ẩm, Trọng lượng riêng của chất rắn, khối lượng ban đầu và trọng lượng. Tôi được yêu cầu tính toán trọng lượng đơn vị ẩm, trọng lượng đơn vị khô và mức độ bão hòa của loại đất nén này. Điều này đã được thực hiện. Mẫu đất được nén chặt này sau đó chìm trong nước. Sau 2 tuần, người ta thấy rằng mẫu đã phồng lên và tổng khối lượng của nó đã tăng thêm 5%. Sau đó, tôi được yêu cầu tính toán trọng lượng đơn vị mới và độ ẩm của mẫu đất sau 2 tuần chìm trong nước.

Độ ẩm và tổng khối lượng được biết là thay đổi, nhưng tính chất nào không đổi trong quá trình chìm? S (r) có thể được lấy là 1 không?

Các thông tin đã cho mô tả một đầm chặt mẫu đất như sau:

• độ ẩm ban đầu, $ \ omega_ {init} $
• trọng lượng riêng, $ G_s $
• khối lượng ban đầu, $ V_ {init} $
• trọng lượng ban đầu, $ W_ {init} $

Để đầy đủ: các thông tin sau đã được xác định:

• trọng lượng đơn vị ẩm, $ \ gamma_ {wet} $ bằng cách sử dụng mối quan hệ $ \ gamma_ {wet} = \ frac {W_ {init}} {V_ {init}} $
• trọng lượng đơn vị khô, $ \ gamma_ {d-init} $ sử dụng mối quan hệ $ \ gamma_ {d-init} = \ frac {\ gamma_ {wet}} {1+ \ omega_ {init}} $
• độ bão hòa, $ S $ sử dụng mối quan hệ $ S = \ frac {V_ {water}} {V_ {voids}} = \ frac {V_ {water}} {V_ {init} -V_ {solids}} = \ frac {\ frac {W_ {init} \ omega_ {init}} {\ gamma_w}} {V_ {init} - \ frac {\ gamma_ {d} V_ {init}} {G_s \ gamma_w}} $

(trong đó $ \ gamma_w $ là trọng lượng đơn vị của nước)

Vấn đề

Vấn đề là xác định trọng lượng đơn vị và độ ẩm sau khi mẫu đất đã ngập nước và cho phép phồng lên 5%.

Chi tiết chính cho vấn đề này là:

Mẫu đất được nén chặt này sau đó chìm trong nước .... Sau hai tuần ...

Một mẫu đất đã chìm trong nước trong hai tuần có thể / nên được giả sử ** đã trở thành bảo hòa ($ S = 100 \% $); tức là, tất cả không khí trong các khoảng trống đã thoát ra và không gian trống hiện chứa đầy 100% nước.

Danh sách các thuộc tính mẫu đất có thể được giả định là không đổi sau khi nhấn chìm khá ngắn:

• Trọng lượng riêng, $ G_s $
• Trọng lượng chất rắn, $ W_s $

Tất cả các tính chất khác, chẳng hạn như độ bão hòa, trọng lượng đơn vị, trọng lượng đơn vị khô, độ ẩm / nước, tỷ lệ rỗng, vv phụ thuộc vào thể tích của các lỗ rỗng và lượng nước trong đất. Cả lượng nước (nó bị ngập nước) và thể tích (nó đã phồng lên) đã thay đổi, vì vậy TẤT CẢ các thuộc tính này cũng sẽ thay đổi.

Khi tất cả những điều này đã được công nhận, phần còn lại của vấn đề là không đáng kể:

• Trọng lượng đơn vị ướt mới: $ \ gamma_ {new} = \ gamma_ {sat-new} = \ frac {W_s + W_ {w-new}} {V_ {new}} = \ frac {\ gamma_ {d-init} V_ {init} + \ gamma_w (V_ {new} -V_ {solid)} {\ gamma_ {d} V_ {init}} {G_s \ gamma_w})} {V_ {init} (1 + 5 \%)} $
• Độ ẩm mới: $ \ omega_ {new} = \ frac {W_ {w-new}} {W_ {chất rắn}} = \ frac {\ gamma_w (V_ {new} -V_ {chất rắn})} {W_ {chất rắn} } = \ frac {\ gamma_w (V_ {init} (1 + 5 \%) - \ frac {\ gamma_ {d} V_ {init}} {G_s \ gamma_w})} {\ gamma_ {d - init} V_ init}} $

Cơ chế của hành vi sưng đất

Phương trình ứng suất hiệu quả được đơn giản hóa như sau:

$ \ sigma ^ {\ Prime} = \ sigma-u $

Trong đó $ \ sigma ^ {\ Prime} $ là ứng suất hiệu quả, $ \ sigma $ là tổng ứng suất và $ u $ là áp lực nước lỗ rỗng.

Phương trình trên giả định một điều kiện tĩnh. Tuy nhiên, khi phương trình ứng suất hiệu quả đơn giản hóa bị mất cân bằng, một điều kiện động xảy ra và đất phải cố kết (tức là "co lại") hoặc phồng lên. Sưng đất xảy ra khi hai mặt của phương trình ứng suất hiệu quả đơn giản hóa không cân bằng và:

1. Có áp lực nước lỗ rỗng dương bên trong không gian trống của đất, và
2. các căng thẳng hiệu quả bên trong ma trận đất lớn hơn áp dụng bên ngoài tổng căng thẳng trừ đi áp lực nước lỗ rỗng.

Nói một cách khác: khi đất được nén chặt, một số lượng tổng căng thẳng được áp dụng. Khi đã đạt được trạng thái cân bằng, điều này tổng căng thẳng được kết hợp với một số kết hợp của căng thẳng hiệu quả và áp lực nước lỗ rỗng . Nếu tổng căng thẳng thay đổi, sự kết hợp trước đó của căng thẳng hiệu quả và áp lực nước lỗ rỗng trong ma trận đất ban đầu vẫn còn, nhưng sự mất cân bằng nguyên nhân này phải tiêu tan theo thời gian. Để sự mất cân bằng tiêu tan, các khoảng trống phải tăng âm lượng (sưng) hoặc giảm âm lượng (hợp nhất), tùy thuộc vào bản chất của sự mất cân bằng.

Trong trường hợp này, tổng căng thẳng đã được loại bỏ / giảm. Các áp lực nước lỗ rỗng là "đẩy" vào "bức tường" của lỗ chân lông ma trận đất (như mọi khi xảy ra khi $ u & gt; 0 $ - ngay cả khi phương trình ứng suất hiệu quả đơn giản được cân bằng). Do giảm tổng căng thẳng , có quá nhiều căng thẳng nội bộ (tức là, căng thẳng hiệu quả ) đang được áp dụng, và nó phải được giảm bớt bằng cách giảm * áp lực nước lỗ rỗng * (tức là, tăng thể tích). Hay nói một cách khác, tổng căng thẳng được áp dụng là không đủ để ngăn chặn lỗ chân lông mở rộng do sự đẩy của bên trong áp lực nước lỗ rỗng . Do đó, đất sẽ phồng lên cho đến khi điều kiện mất cân bằng này được giải quyết.

** Lý do cho giả định này hơi phức tạp và giả định có thể không phải lúc nào cũng chính xác. Tuy nhiên, nói chung, giả định bảo thủ nhất cho hầu hết các vấn đề cơ học / địa kỹ thuật đất là cho đất được bão hòa. Do đó, nếu có lý do để tin rằng đất có thể bị bão hòa, ngay cả khi có sự không chắc chắn, chúng ta hầu như luôn cho rằng đất thực tế đã bão hòa.

Nhìn vào sơ đồ điển hình của đất thể hiện đất / nước / không khí:

Đơn giản

Suy nghĩ đơn giản về nó các mặt hàng có thể thay đổi:

• Khối lượng đất không thể thay đổi. Không có đất được thêm vào. Sẽ là tốt để giả định rằng không có phản ứng hóa học lớn xảy ra.
• Khối lượng nước có thể thay đổi. Nó đang ngồi trong nước.
• Không khí không thể tăng nếu mẫu bị ngập nước. Một lần nữa bỏ qua bất kỳ phản ứng hóa học lớn có thể tạo ra khí.
• Khối lượng và thể tích có tỷ lệ được xác định rõ cho từng chất.

Từ những vật phẩm này, cách duy nhất mà thể tích có thể tăng lên là nếu thể tích nước tăng lên. Điều này có nghĩa là sự gia tăng âm lượng của các khoảng trống.

Đó là cách đơn giản (có thể ngây thơ) để suy nghĩ về nó.

Đây cũng là nơi Giới hạn Atterberg nhập cuộc. Họ xác định hàm lượng nước trong đó tính chất vật lý của đất thay đổi.

Phức tạp

Cách phức tạp hơn để suy nghĩ về hệ thống sẽ là xem xét các thay đổi hóa học đối với đất. Nếu không quá cụ thể vào các mục mà tôi không đủ điều kiện để giải thích, có thể các phản ứng hóa học có thể xảy ra khiến cho khối lượng đất tự tăng lên. Hãy suy nghĩ về cách gỉ là một phản ứng hóa học có hiệu quả làm cho thép tăng khối lượng. Điều này cũng sẽ thay đổi số lượng lớn.

Bao gồm các phản ứng hóa học vào hỗn hợp tạo ra các câu hỏi như:

• Liệu nó có ý nghĩa gì để so sánh các thuộc tính của điều này Mới hợp chất đất cũ hợp chất đất?
• Là phản ứng thuận nghịch? ví dụ. Việc sấy mẫu có khiến mọi thứ quay trở lại khối lượng và thể tích ban đầu không?

Không có nhiều ràng buộc hơn về những gì chúng tôi đang làm việc, thật khó để đưa ra một câu trả lời dứt khoát.