Προσδιορισμός παραμέτρων σχεδιασμού εδαφών εμποτισμένων με αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων

Abstract

A laboratory investigation was conducted in order to evaluate the properties and the application area of a series of new grout materials, that can be used instead of chemical solutions, to improve the soil properties. Three types of cement were used and milled so that three additional gradations would result from each one. Four different gradations of calcareous sand were also used. The properties of suspensions were determined in terms of viscosity, rheology, bleeding, set times, strength and injectability. The properties of grouted sands as permeability, static loading and dynamic loading were determined with tests in specimens which were produced by conducting one-dimensional injections, using a specially constructed device. The behaviour of grouted sands in static loading was quantified by conducting unconfined compression and triaxial compression. The dynamic properties of grouted sands were evaluated with resonant column tests and bender elements tests. The water to cement ratio is the most important parameter that defines both the qualities and the behaviour of the suspensions. Increase in the water to cement ratio causes substantial improvement in the rheology, but has adverse effect on the bleeding of the suspensions and on the strength of their sediments. The cements grinding has an adverse effect on the rheological properties and on the injectability of the suspensions, whereas it has a favourable effect on the bleeding and the strength. Permeation grouting with microfine cements have shown that (a) reduce the coefficient of permeability of the sands up to 5 orders of magnitude, (b) provide significant cohesion (up to 1.5MPa), in terms of the Mohr-Coulomb failure criterion, (c) do not affect the angle of internal friction of the sands, (d) increase the initial tangent modulus of the sands up to 20 times, (e) reduce the failure deformation of the sands up to 10 times, (f) increase the dynamic shear modulus and Young’s modulus of the sands up to 10 times for confining stress σ3=400kPa and up to 25 times for confining stress σ3=50kPa, (g) increase the damping ratio up to 4 times and (h) increase the Poisson ratio up to 30%.

Η εργαστηριακή διερεύνηση που εκτελέστηκε στο πλαίσιο αυτής της διατριβής έχει ώς αντικείμενο την ανάπτυξη και την επιστημονική τεκμηρίωση των ιδιοτήτων και του πεδίου εφαρμογής μιας σειράς νέων υλικών ενέσεως τύπου αιωρήματος που έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν αντί χημικών διαλυμάτων για τη βελτίωση των ιδιοτήτων εδαφών με κοκκομετρία έως λεπτόκοκκης άμμου. Χρησιμοποιήθηκαν τρείς τύποι τσιμέντου που λειοτριβήθηκαν ώστε να προκύψουν τρείς επιπλέον κοκκομετρικές συνθέσεις από το κάθε ένα. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις διαφορετικής κοκκομετρικής διαβάθμισης άμμοι. Οι ιδιότητες των αιωρημάτων τεκμηριώθηκαν με τον προσδιορισμό του ιξώδους, των ρεολογικών ιδιοτήτων, του ποσοστού εξίδρωσης, των χρόνων πήξης, της αντοχής και της ενεσιμότητάς τους. Ο εργαστηριακός έλεγχος της διαπερατότητας, της συμπεριφοράς σε στατική φόρτιση και της συμπεριφοράς σε δυναμική φόρτιση των εμποτισμένων άμμων έγινε με χρήση κατάλληλων δοκιμίων που παράγονταν σε ειδική διάταξη εμποτισμού μονοδιάστατης ροής. Η μελέτη της συμπεριφοράς των εμποτισμένων δοκιμίων σε στατική φόρτιση βασίστηκε σε δοκιμές ανεμπόδιστης θλίψης και τριαξονικής φόρτισης. Η διερεύνηση της δυναμικής συμπεριφοράς των εμποτισμένων άμμων έγινε με δοκιμές συντονισμού και πιεζοκεραμικών στοιχείων. Ο λόγος νερού προς τσιμέντο είναι η πιο σημαντική παράμετρος που καθορίζει τις ιδιότητες και την συμπεριφορά των αιωρημάτων. Αύξηση του λόγου νερού προς τσιμέντο προκαλεί σημαντική βελτίωση των ρεολογικών χαρακτηριστικών, αλλά έχει δυσμενείς επιπτώσεις στο τελικό ποσοστό εξίδρωσης των αιωρημάτων και στην αντοχή των ιζημάτων των αιωρημάτων. Η λειοτρίβηση των τσιμέντων έχει δυσμενείς επιπτώσεις στα ρεολογικά χαρακτηριστικά και στην ενεσιμότητα των αιωρημάτων, ενώ έχει ευμενείς επιπτώσεις στο τελικό ποσοστό εξίδρωσης και στην αντοχή τους. Εμποτισμοί με αιωρήματα λεπτόκοκκων τσιμέντων έδειξαν ότι (α) μειώνουν τον συντελεστή διαπερατότητας των άμμων έως και 5 τάξεις μεγέθους, (β) προσδίδουν συνοχή στις άμμους της τάξης του 1.5MPa, με βάση το κριτήριο αστοχίας Mohr-Coulomb, (γ) δεν επηρεάζουν αισθητά τη γωνία εσωτερικής τριβής των άμμων, (δ) αυξάνουν το αρχικό μέτρο ελαστικότητας των άμμων έως 20 φορές, (ε) μειώνουν την παραμόρφωση αστοχίας των άμμων έως 10 φορές, (στ) αυξάνουν το δυναμικό μέτρο διάτμησης και ελαστικότητας των άμμων κατά περίπου 10 φορές για περιβάλλουσα τάση σ3=400kPa και 25 φορές για περιβάλλουσα τάση σ3=50kPa, (ζ) αυξάνουν το λόγο απόσβεσης έως 4 φορές και (η) αυξάνουν το λόγο Poisson έως 30%.