Zależności pęcznienia gleby i masy / objętości

Biorąc pod uwagę zawartość wilgoci, ciężar właściwy ciał stałych, objętość początkową i wagę. Poproszono mnie o obliczenie wilgotnej masy jednostkowej, suchej masy jednostkowej i stopnia nasycenia tej zagęszczonej gleby. To jest już zrobione. Tę zagęszczoną próbkę gleby następnie zanurzono w wodzie. Po 2 tygodniach stwierdzono, że próbka pęcznieje, a jej całkowita objętość wzrosła o 5%. Następnie jestem proszony o obliczenie nowej masy jednostkowej i zawartości wilgoci w próbce gleby po 2 tygodniach zanurzenia w wodzie.

Wiadomo, że zmienia się zawartość wilgoci i całkowita objętość, ale jakie właściwości pozostają stałe podczas zanurzenia? Czy S (r) można przyjąć jako 1?

Podane informacje opisujące zagęszczoną próbkę gleby są następujące:

• początkowa zawartość wilgoci, $\omega_{init}$
• ciężar właściwy, $G_s$
• początkowa objętość, $V_{init}$
• masa początkowa, $W_{init}$

Dla kompletności: określono już następujące informacje:

• wilgotna masa jednostkowa, wykorzystaniem zależności γ w e t = W i n i $\gamma_{wet}$$\gamma_{wet}=\frac{W_{init}}{V_{init}}$
• sucha masa jednostkowa, przy użyciu zależności γ d - i n i t = $\gamma_{d-init}$$\gamma_{d-init}=\frac{\gamma_{wet}}{1+\omega_{init}}$
• nasycenie, wykorzystaniem zależności S = V w $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}}$

(gdzie to masa jednostkowa wody)$\gamma_w$

Problem

Problem polega na określeniu masy jednostkowej i zawartości wilgoci po zanurzeniu próbki gleby i pozostawieniu jej do pęcznienia 5%.

Kluczowym szczegółem tego problemu jest:

Tę zagęszczoną próbkę gleby zanurzono w wodzie ... Po dwóch tygodniach ...

Można / należy założyć, że próbka gleby zanurzona w wodzie przez dwa tygodnie ** uległa nasyceniu ( ); tzn. całe powietrze w pustych przestrzeniach uciekło, a pusta przestrzeń jest teraz w 100% wypełniona wodą.$S=100\%$

Lista właściwości próbki gleby, które można założyć, że pozostają stałe po zanurzeniu, jest dość krótka:

• Ciężar właściwy, $G_s$
• Waga ciał stałych, $W_s$

Wszystkie inne właściwości, takie jak nasycenie, masa jednostkowa, sucha masa jednostkowa, zawartość wilgoci / wody, stosunek pustek itp. Zależą od objętości pustek i ilości wody w glebie. Zmieniła się zarówno ilość wody (była zanurzona), jak i objętość (pęcznieje), więc WSZYSTKIE z tych właściwości również się zmienią.

Gdy wszystko to zostanie rozpoznane, pozostała część problemu jest trywialna:

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

Mechanizm zachowania obrzęku gleby

Uproszczone równanie naprężenia efektywnego jest następujące:

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

$\sigma^{\prime}$$\sigma$$u$ jest ciśnieniem wody w porach.

Powyższe równanie zakłada stan statyczny. Kiedy jednak uproszczone równanie naprężenia efektywnego jest niezrównoważone, pojawia się warunek dynamiczny i gleba musi albo się skonsolidować (tj. „Skurczyć”), albo puchnąć. Pęcznienie gleby występuje, gdy dwie strony uproszczonego równania naprężenia efektywnego nie są zrównoważone i:

1. W pustej przestrzeni gleby występuje dodatnie ciśnienie wody w porach i
2. skuteczne naprężenie wewnątrz matrycy gleby jest większa niż stosowana zewnętrznie całkowitego naprężenia minus ciśnienie porów wody.

Inna droga: kiedy gleba jest zagęszczana, przykładana jest pewna ilość całkowitego naprężenia . Po osiągnięciu równowagi całkowite naprężenie jest związane z pewną kombinacją naprężenia skutecznego i ciśnienia wody w porach . Jeśli całkowity stres zmienia się, poprzednia kombinacja stresu skutecznego i ciśnienia wody w porach w matrycy gleby początkowo pozostaje, ale nierównowaga, którą powoduje, musi z czasem zaniknąć. Aby nierównowaga się rozproszyła, puste przestrzenie muszą albo zwiększyć objętość (obrzęk), albo zmniejszyć objętość (konsolidacja), w zależności od charakteru nierównowagi.

$u>0$

** Przyczyny tego założenia są nieco skomplikowane, a założenie może nie zawsze być dokładne. Jednak zasadniczo najbardziej konserwatywnym założeniem w przypadku większości problemów mechanicznych / geotechnicznych jest nasycenie gleby. Dlatego jeśli istnieje powód, by sądzić, że gleba może być nasycona, nawet jeśli istnieje niepewność, prawie zawsze zakładamy, że gleba jest faktycznie nasycona.

Spójrz na typowy schemat gleby przedstawiający glebę / wodę / powietrze:

Prosty

Myśląc w uproszczeniu o przedmiotach, które mogą ulec zmianie:

• Masa gleby nie może się zmienić. Nie dodano gleby. Dobrze byłoby założyć, że nie wystąpiły również żadne poważne reakcje chemiczne.
• Masa wody może ulec zmianie. Siedział w wodzie.
• Powietrze nie może wzrosnąć, jeśli próbka została zanurzona. Jeszcze raz zignoruj ​​wszelkie poważne reakcje chemiczne, które mogłyby wytworzyć gaz.
• Masa i objętość mają dobrze określony stosunek dla każdej substancji.

Z tych przedmiotów jedynym sposobem na zwiększenie objętości byłoby zwiększenie objętości wody. Oznaczałoby to wzrost objętości pustek.

To prosty (może naiwny) sposób myślenia o tym.

Tutaj również mają zastosowanie granice Atterberg . Określają zawartość wody, w której zmieniają się właściwości fizyczne gleby.

Skomplikowane

Bardziej skomplikowanym sposobem myślenia o systemie byłoby rozważenie zmian chemicznych w glebie. Bez uszczegółowienia tematów, których nie jestem w stanie wyjaśnić, możliwe jest, że mogą wystąpić reakcje chemiczne, które same spowodują zwiększenie objętości gleby. Pomyśl o tym, jak rdza jest reakcją chemiczną, która skutecznie powoduje wzrost objętości stali. To również zmieniłoby masę.

Włączenie reakcji chemicznych do mieszanki stwarza pytania takie jak:

• Czy ma sens porównywanie właściwości tego nowego związku glebowego ze starym związkiem glebowym?
• Czy reakcja jest odwracalna? np. czy suszenie próbki powoduje, że wszystko wraca do pierwotnych mas i objętości?

Bez większych ograniczeń dotyczących tego, nad czym pracujemy, trudno jest udzielić ostatecznej odpowiedzi.