Gonfiore del suolo e relazioni massa / volume

Dato contenuto di umidità, gravità specifica dei solidi, volume iniziale e peso. Mi viene chiesto di calcolare il peso unitario umido, il peso unitario secco e il grado di saturazione di questo terreno compattato. Questo è già fatto. Questo campione di terreno compattato è stato quindi immerso in acqua. Dopo 2 settimane, è stato riscontrato che il campione si era gonfiato e il suo volume totale era aumentato del 5%. Quindi mi viene chiesto di calcolare il nuovo peso unitario e il contenuto di umidità del campione di terreno dopo 2 settimane di immersione in acqua.

È noto che il contenuto di umidità e il volume totale cambiano, ma quali proprietà rimangono costanti durante l'immersione? S (r) può essere preso come 1?

Le informazioni fornite che descrivono un campione di terreno compattato sono le seguenti:

• contenuto iniziale di umidità, $\omega_{init}$
• gravità specifica, $G_s$
• volume iniziale, $V_{init}$
• peso iniziale, $W_{init}$

Per completezza: sono già state determinate le seguenti informazioni:

• peso unitario umido, utilizzando la relazione γ w e t = W i n i $\gamma_{wet}$$\gamma_{wet}=\frac{W_{init}}{V_{init}}$
• peso unitario a secco, usando la relazione γ d - i n i t = γ w e $\gamma_{d-init}$$\gamma_{d-init}=\frac{\gamma_{wet}}{1+\omega_{init}}$
• saturazione, usando la relazione S = V w a t e $S$$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}}$

(dove è il peso unitario dell'acqua)$\gamma_w$

Problema

Il problema è determinare il peso unitario e il contenuto di umidità dopo che il campione di terreno è stato immerso e lasciato gonfiare del 5%.

Il dettaglio chiave per questo problema è:

Questo campione di terreno compattato è stato quindi immerso in acqua ... Dopo due settimane ...

Un campione di terreno che è stato immerso in acqua per due settimane può / dovrebbe essere considerato ** saturo ( ); vale a dire, tutta l'aria negli spazi vuoti è sfuggita e lo spazio vuoto è ora riempito al 100% con acqua.$S=100\%$

L'elenco delle proprietà del campione di suolo che si può presumere che rimanga costante dopo l'immersione è piuttosto breve:

• Peso specifico, $G_s$
• Peso dei solidi, $W_s$

Tutte le altre proprietà, quali saturazione, peso unitario, peso unitario secco, contenuto di umidità / acqua, rapporto vuoto, ecc. Dipendono dal volume di vuoti e dalla quantità di acqua nel suolo. Sia la quantità di acqua (è stata sommersa) che il volume (si è gonfiato) sono cambiati, quindi anche TUTTE queste proprietà cambieranno.

Una volta che tutto questo è stato riconosciuto, la parte rimanente del problema è banale:

• Nuovo peso umido dell'unità: $\gamma_{new}=\gamma_{sat-new}=\frac{W_s+W_{w-new}}{V_{new}}=\frac{\gamma_{d-init}V_{init}+\gamma_w(V_{new}-V_{solids})}{V_{vew}}=\frac{\gamma_{d-init}V_{init}+\gamma_w(V_{new}-\frac{\gamma_{d}V_{init}}{G_s\gamma_w})}{V_{init}(1+5\%)}$
• $\omega_{new}=\frac{W_{w-new}}{W_{solids}}=\frac{\gamma_w(V_{new}-V_{solids})}{W_{solids}}=\frac{\gamma_w(V_{init}(1+5\%)-\frac{\gamma_{d}V_{init}}{G_s\gamma_w})}{\gamma_{d-init}V_{init}}$

Meccanismo del comportamento di rigonfiamento del suolo

L'equazione di sollecitazione efficace semplificata è la seguente:

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

$\sigma^{\prime}$$\sigma$$u$

L'equazione precedente presuppone una condizione statica. Tuttavia, quando l'equazione di stress efficace semplificata viene sbilanciata, si verifica una condizione dinamica e il suolo deve consolidarsi (cioè "restringersi") o gonfiarsi. Il gonfiore del suolo si verifica quando i due lati dell'equazione di stress efficace semplificata non sono bilanciati e:

1. C'è una pressione positiva dei pori all'interno dello spazio vuoto del suolo e
2. la sollecitazione effettiva all'interno della matrice del suolo è maggiore della sollecitazione totale applicata esternamente meno la pressione dell'acqua dei pori.

Detto in altro modo: quando un terreno viene compattato, viene applicata una certa quantità di stress totale . Una volta raggiunto l'equilibrio, questo stress totale è associato a una combinazione di stress efficace e pressione dell'acqua dei pori . Se lo stress totale cambia, la precedente combinazione di stress efficace e pressione dell'acqua dei pori all'interno della matrice del suolo rimane inizialmente, ma lo squilibrio che ciò provoca deve dissiparsi nel tempo. Affinché lo squilibrio si dissolva, i vuoti devono aumentare di volume (gonfiore) o diminuire di volume (consolidamento), a seconda della natura dello squilibrio.

$u>0$ - anche quando l'equazione di sollecitazione efficace semplificata è bilanciata). A causa della riduzione dello stress totale , viene applicato troppo stress interno (cioè, stress efficace ) e deve essere alleviato da una diminuzione della * pressione dei pori * (ovvero un aumento del volume). O detto in un altro modo, lo stress totale applicato non è sufficiente per impedire ai pori di espandersi a causa della spinta della pressione interna dei pori . Pertanto il terreno si gonfierà fino a quando questa condizione di squilibrio non sarà risolta.

** Le ragioni di questa ipotesi sono piuttosto complicate e l'assunto potrebbe non essere sempre accurato. Tuttavia, in generale, il presupposto più conservativo per la maggior parte dei problemi di meccanica del suolo / geotecnica è che il suolo sia saturo. Pertanto, se c'è motivo di credere che il suolo possa essere saturo, anche se c'è incertezza, si presume quasi sempre che il suolo sia effettivamente saturo.

Guarda il diagramma tipico del suolo che mostra suolo / acqua / aria:

Semplice

Pensando in modo semplicistico a questo proposito gli elementi che potrebbero cambiare:

• La massa del suolo non può cambiare. Non è stato aggiunto alcun terreno. Sarebbe bene presumere che non si siano verificate reazioni chimiche rilevanti.
• La massa d'acqua può cambiare. Era seduto in acqua.
• L'aria non può aumentare se il campione è stato immerso. Ancora una volta ignora le principali reazioni chimiche che potrebbero creare gas.
• La massa e il volume hanno un rapporto ben definito per ciascuna sostanza.

Da questi elementi, l'unico modo in cui il volume potrebbe aumentare sarebbe se il volume dell'acqua aumentasse. Ciò significherebbe un aumento del volume dei vuoti.

Questo è il modo semplice (forse ingenuo) di pensarci.

Questo è anche il punto in cui entrano in gioco i limiti di Atterberg . Definiscono il contenuto d'acqua in cui cambiano le proprietà fisiche del suolo.

Complicato

Il modo più complicato di pensare al sistema sarebbe considerare i cambiamenti chimici nel suolo. Senza essere troppo specifici negli articoli che non sono qualificato per spiegare, è possibile che si verifichino reazioni chimiche che causano un aumento del volume del suolo da solo. Pensa a come la ruggine è una reazione chimica che provoca effettivamente un aumento di volume dell'acciaio. Ciò cambierebbe anche la massa.

Includere reazioni chimiche nel mix crea domande come:

• Ha senso confrontare le proprietà di questo nuovo composto del suolo con il vecchio composto del suolo?
• La reazione è reversibile? es. L'essiccazione del campione fa ritornare tutto alle masse e ai volumi originali?

Senza più vincoli su ciò con cui stiamo lavorando, è difficile dare una risposta definitiva.