Πειραματική διερεύνηση της ανισότροπης συμπεριφοράς άμμου σταθεροποιημένης με κολλοειδή πυριτία

Abstract

The liquefaction of non-cohesive soils during seismic loading can cause significant damage to the superstructure, even leading to complete failure. Preventing the risk of liquefaction at sites for new constructions can be achieved through a series of established soil improvement techniques before the building is constructed, depending on the characteristics of the liquefiable soil. In cases where soil improvement is applied in areas with existing structures, the available methods are limited and often come with many disadvantages (e.g., improvement of only a small portion of the footprint, foundation problems due to high-pressure injection of grouts, etc.). These conditions led to the development of a new soil improvement method called passive site stabilization (Gallagher, 2000).This method involves the injection of a stabilizer with a low hydraulic gradient—an environmentally safe material composed of nanoparticles with various possible chemical compositions—into the liquefiable soil. The stabilizer is slowly injected into the ground and transported through the saturated soil mass utilizing natural or enhanced groundwater flow (Gallagher et al., 2007; Jurinak et al., 1989), or by electro-osmosis (Thevanayagam & Jia, 2003). The silica hydrosol has low viscosity during the injection phase and thickens in a controllable manner to form a stable, non-toxic gel; the gel fills the pore space, retains the pore water, and supports the grain structure. Enriching the pore fluid with the stabilizer alters the mechanical behavior of the soil skeleton-pore fluid system, resulting in increased strength, enhanced dilatancy, and greater resistance to liquefaction (Gallagher & Mitchell, 2002; Kodaka et al., 2005; Díaz-Rodríguez et al., 2008; Porcino et al., 2011, 2012; Vranna & Tika, 2015). The colloidal silica Ludox-SM® was selected as the stabilizer in this thesis Although the aforementioned laboratory studies have provided answers to several issues related to this novel and promising sand stabilization method, their results are based on conventional liquefaction resistance tests using triaxial or simple shear devices, which do not allow for the investigation of the anisotropic behavior of stabilized sands. The term "anisotropy" in soil materials refers to the dependence of their mechanical behavior (strength, dilatancy, stiffness) on the loading direction due to their anisotropic structure. The oriented internal arrangement of grains and voids, including grain orientation, contact normal vectors' orientation, and the voids' distribution and orientation, define the material's fabric (Mitchell & Kenichi, 1976).A comprehensive understanding of the stabilized soil's response under various loading conditions is required for the practical application of passive stabilization. This dissertation experimentally investigates the effectiveness of the "new" method for improving non-cohesive soils through monotonic and cyclic loading tests, examining the influence of grain shape, drainage conditions, and effective stress using both conventional tests and specialized tests under generalized loading conditions in the Hollow Cylinder Apparatus. Stabilization with colloidal silica appears to result in higher compressibility during one-dimensional compression, facilitating grain slippage (plastic deformations), while during unloading, it does not seem to affect the development of quasi-elastic deformations. Under triaxial compression, stabilized sand exhibits significantly higher dilatancy than untreated sand, leading to higher peak strength. The improved strength and pronounced dilation tendency of sand stabilized with a 10% CS colloidal silica sol gradually decreases with increasing stress and shear strain accumulation. In the final critical state, the stress ratio of stabilized specimens approximates that of untreated sand specimens when frictional characteristics dominate grain contact behavior. During cyclic loading of loose sand, a rapid increase in excess pore water pressure occurs alongside significant axial strain development when the stress path reaches the instability line, leading to liquefaction. In stabilized sand, axial strain accumulates gradually from the first loading cycle. Despite the effective stress reaching zero (initial liquefaction), the specimen does not liquefy. While the initial stiffness modulus of untreated sand is equal to or greater than that of stabilized sand, it declines rapidly upon initial liquefaction and nearly vanishes. In contrast, the stiffness of stabilized sand diminishes gradually. However, because most geotechnical problems involve complex initial stress states and loading conditions that include changes in both the magnitude and direction of principal stresses (σ1, σ2, σ3), studying soil response under generalized loading conditions is essential. For this reason, the effect of principal stress rotation on the response of stabilized sand is investigated for the first time through triaxial extension tests and specialized experiments using the Hollow Cylinder Torsional Shear Apparatus. Initially, a framework describing the anisotropic response of sand was established, and this framework was then used as a reference to highlight the improved behavior of stabilized sand. In monotonic loading tests under a constant inclination angle α of the principal stress axis, the optimal mechanical behavior occurs when the major principal stress is perpendicular to the bedding plane (α = 0°). As the σ'1-axis deviates from the vertical, the sand response becomes more contractive, reducing its strength with increasing α. For a given α value, increasing the intermediate principal stress parameter (b) significantly reduces shear strength and increases contractiveness. Stabilized sand exhibits pronounced anisotropic behavior similar to untreated sand. As the σ'1-axis moves away from the vertical, strength decreases significantly, and contractiveness increases. The lowest strength is observed at α = 60°, similar to dense sand M31. Regardless of α, the maximum strength of stabilized sand exceeds that of dense sand M31. Additionally, the addition of the stabilizer reduces contractiveness and increases dilatancy. However, for α ≥ 45°, stabilized sand exhibits weaker performance at low stress ratios, with the accumulation of plastic strain under constant volume conditions. When loading is stress-controlled, and drainage is either restricted or free—where the latter is feasible before and after the unstable response—stabilized loose sand exhibits unstable behavior similar to that of untreated loose sand under undrained conditions. As loading progresses and dilation begins, stabilized sand develops greater peak strength than even the densest sand. In tests with continuous rotation of the principal stress axes under constant deviatoric stress (q), mean effective stress (p'), and intermediate principal stress parameter (b), the specimen's response to axis rotation reflects only its initial structural differences. As the axes rotate, volumetric contractive strain accumulates, and plastic incremental strains develop. The magnitude of these strains depends on sand density, the value of parameter b, and the applied stress ratio. Principal stress axis rotation at a high stress ratio leads to large deformations and specimen failure. During monotonic loading tests, a deviation between the principal stress direction and the principal incremental plastic strain direction (non-coaxiality) is observed in both untreated and stabilized sand, particularly when 30° ≤ α ≤ 60°. This deviation is most significant in the early loading stages. Compared to loading at a constant α angle, the non-coaxiality of sand is more pronounced under continuous variation of α. The angle of non-coaxiality decreases when rotation occurs under a higher stress ratio and when parameter b increases. Generally, sand behavior becomes nearly coaxial with shear strain accumulation as failure approaches.

Η ρευστοποίηση μη συνεκτικών εδαφών κατά τη διάρκεια σεισμικών διεγέρσεων μπορεί να προκαλέσει σημαντικές ζημιές στην ανωδομή, έως και την πλήρη αστοχία. Η αποτροπή του κινδύνου ρευστοποίησης σε θέσεις νέων κατασκευών μπορεί να επιτευχθεί με μία σειρά από καθιερωμένες μεθοδολογίες βελτίωσης του εδάφους πριν την κατασκευή του κτιρίου ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του ρευστοποιήσιμου εδάφους. Σε περιπτώσεις που η βελτίωση του εδάφους εφαρμόζεται σε περιοχές με υφιστάμενες κατασκευές, οι κατάλληλες μέθοδοι είναι λίγες και συνήθως συνοδεύονται από πολλά μειονεκτήματα (βελτίωση του έδαφους σε μικρό τμήμα της κάτοψης, πρόκληση προβλημάτων στη θεμελίωση λόγω της εισπίεσης ενεμάτων υπό υψηλή πίεση κλπ.). Οι ανωτέρω συνθήκες οδήγησαν στην ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου βελτίωσης εδαφών, της παθητικής σταθεροποίησης (passive site stabilization) (Gallagher, 2000). Πρόκειται για την εισπίεση με χαμηλή υδραυλική κλίση ενός σταθεροποιητή (stabiliser), δηλαδή ενός υλικού που αποτελείται από περιβαλλοντικώς ασφαλή νανο-σωματίδια, με διάφορες πιθανές μορφές χημικής σύστασης, στο ρευστοποιήσιμο έδαφος θεμελίωσης ολόκληρης της κάτοψης μιας υφιστάμενης κατασκευής. Η διήθηση του σταθεροποιητή μπορεί να επιτευχθεί είτε μέσω της φυσικής ροής κατασκευάζοντας ένα φρέαρ με τον σταθεροποιητή ανάντη της κατασκευής, είτε επιβάλλοντας συνθήκες ροής κατασκευάζοντας φρέατα παροχής και άντλησης με χαμηλή υδραυλική κλίση. Η κολλοειδής πυριτία Ludox-SM® που επιλέχθηκε ως σταθεροποιητής στην παρούσα διατριβή αρχικά έχει τη μορφή υγρολύματος και με την πάροδο του χρόνου υφίσταται ελεγχόμενη μετατροπή σε γέλη, με ταυτόχρονη αύξηση του ιξώδους του. Ρυθμίζοντας τους κατάλληλους παράγοντες (pH, περιεκτικότητα σε αλάτι, θερμοκρασία) η μετατροπή γίνεται σε συγκεκριμένο χρόνο ώστε να έχει ολοκληρωθεί η διοχέτευση ομοιόμορφα σε όλη την περιοχή της κάτοψης. Μέσω του εμπλουτισμού του υγρού των πόρων με τον σταθεροποιητή αλλάζει η μηχανική συμπεριφορά του συστήματος εδαφικού σκελετού - υγρού των πόρων και επιτυγχάνεται υψηλότερη αντοχή, αυξημένη διαστολικότητα και αντίσταση σε ρευστοποίηση (Gallagher & Mitchell, 2002; Kodaka et al., 2005; Díaz-Rodríguez et al., 2008; Porcino et al., 2011, 2012; Vranna & Tika, 2015). Παρόλο που οι προαναφερθείσες εργαστηριακές μελέτες έχουν δώσει απαντήσεις σε αρκετά ζητήματα που αφορούν αυτή τη νέα ελκυστική μέθοδο σταθεροποίησης άμμων, τα αποτελέσματά τους βασίζονται στις κλασικές δοκιμές μέτρησης της αντίστασης σε ρευστοποίηση στην τριαξονική συσκευή ή τη συσκευή απλής διάτμησης οι οποίες δεν έχουν τη δυνατότητα διερεύνησης της ανισότροπης συμπεριφοράς των σταθεροποιημένων άμμων. O όρος της ανισοτροπίας των εδαφικών υλικών αναφέρεται στην εξάρτηση της μηχανικής τους συμπεριφοράς (αντοχή, διαστολικότητα, δυστμησία) από τη διεύθυνση της φόρτισης λόγω της ανισότροπης δομής τους. Η προσανατολισμένη εσωτερική διάταξη των κόκκων και των κενών, δηλαδή η διάταξη των κόκκων, ο προσανατολισμός των διανυσμάτων που είναι κάθετα στις μεταξύ τους επαφές, η κατανομή και ο προσανατολισμός των κενών ορίζουν τη δομή (fabric) του υλικού (Mitchell & Kenichi, 1976). Για την εφαρμογή της παθητικής σταθεροποίησης στην πράξη απαιτείται η ολοκληρωμένη γνώση της απόκρισης του σταθεροποιημένου εδάφους υπό διάφορες συνθήκες φόρτισης. Στο πλαίσιο της διατριβής διερευνάται πειραματικά η αποτελεσματικότητα της «νέας» μεθόδου βελτίωσης μη συνεκτικών εδαφών μέσω δοκιμών μονοτονικής και ανακυκλικής φόρτισης εξετάζοντας την επίδραση του σχήματος των κόκκων, των συνθηκών στράγγισης και της ενεργού τάσης μέσω κλασσικών δοκιμών αλλά και υπό συνθήκες γενικευμένης φόρτισης μέσω εξειδικευμένων δοκιμών στη Συσκευή Στρέψης Κοίλου Κυλινδρικού Δοκιμίου. Η σταθεροποίηση με κολλοειδή πυριτία φαίνεται να οδηγεί σε μεγαλύτερη ενδοσιμότητα κατά τη μονοδιάστατη συμπίεση διευκολύνοντας την ολίσθηση μεταξύ των κόκκων (πλαστικές παραμορφώσεις), ενώ κατά την αποφόρτιση δε φαίνεται να επηρεάζει την ανάπτυξη των οιονεί ελαστικών παραμορφώσεων. Υπό τριαξονική θλίψη η σταθεροποιημένη άμμος αναπτύσσει πολύ μεγαλύτερη διαστολικότητα σε σχέση με την άμμο που οδηγεί σε υψηλότερη μέγιστη αντοχή. Η βελτιωμένη αντοχή της άμμου και η έντονη τάση για διαστολή, μετά τη σταθεροποίησή της με υγρόλυμα κολλοειδούς πυριτίας περιεκτικότητας CS=10%, μειώνεται σταδιακά με την αύξηση της τάσης και τη συσσώρευση της διατμητικής παραμόρφωσης. Στην τελική κρίσιμη κατάσταση ο λόγος τάσεων των σταθεροποιημένων δοκιμίων προσομοιάζει τον λόγο των δοκιμίων άμμου όταν πλέον κυριαρχούν τα χαρακτηριστικά τριβής στις επαφές των κόκκων. Κατά την ανακυκλική φόρτιση της χαλαρής άμμου εμφανίζεται ραγδαία αύξηση της υπερπίεσης πόρων με ταυτόχρονη ανάπτυξη μεγάλης αξονικής παραμόρφωσης όταν η τασική διαδρομή κατά την ανακυκλική φόρτιση φτάσει την οριακή γραμμή αστάθειας και το δοκίμιο οδηγείται στη ρευστοποίηση. Στη σταθεροποιημένη άμμο η αξονική παραμόρφωση συσσωρεύεται σταδιακά από τον πρώτο κύκλο φόρτισης και παρά τον μηδενισμό της ενεργού τάσης (αρχική ρευστοποίηση), το δοκίμιο δεν ρευστοποιείται. Ενώ το αρχικό μέτρο δυστμησίας της φυσικής άμμου είναι ίσο ή μεγαλύτερο από εκείνο της σταθεροποιημένης άμμου, κατά την αρχική ρευστοποίηση μειώνεται ραγδαία και πρακτικά μηδενίζεται, ενώ η δυστμησία της σταθεροποιημένης άμμου απομειώνεται σταδιακά. Ωστόσο, επειδή στα περισσότερα γεωτεχνικά προβλήματα οι αρχικές εντατικές καταστάσεις και οι συνθήκες φόρτισης είναι σύνθετες περιλαμβάνοντας αλλαγές τόσο στο μέγεθος των κύριων τάσεων (σ1, σ2, σ3) όσο και στη διεύθυνσή τους, η μελέτη της απόκρισης του εδάφους υπό γενικευμένες συνθήκες φόρτισης είναι αναγκαία. Γι’ αυτό το σκοπό, για πρώτη φορά μελετάται η επίδραση της μεταβολής της διεύθυνσης των κυρίων τάσεων στην απόκριση της σταθεροποιημένης άμμου μέσω δοκιμών τριαξονικού εφελκυσμού και εξειδικευμένων πειραμάτων στη συσκευή Στρεπτικής Διάτμησης Κοίλου Κυλινδρικού Δοκιμίου. Αρχικά προσδιορίστηκε ένα πλαίσιο που περιγράφει την ανισότροπη απόκριση της άμμου και στη συνέχεια το πλαίσιο αυτό χρησιμοποιήθηκε ως βάση αναφοράς για την ανάδειξη της βελτιωμένης συμπεριφοράς της σταθεροποιημένης άμμου. Σε δοκιμές μονοτονικής φόρτισης υπό σταθερή γωνία α στην άμμο, η βέλτιστη μηχανική συμπεριφορά εμφανίζεται όταν η μέγιστη κύρια τάση είναι κάθετη στο επίπεδο διαστρωμάτωσης (α=0°). Η απόκριση της άμμου γίνεται πιο συστολική όσο ο σ’1-άξονας απομακρύνεται από την κατακόρυφο με αποτέλεσμα η αντοχή της να μειώνεται με τη γωνία α. Για συγκεκριμένη τιμή της γωνίας α η αύξηση της παραμέτρου ενδιάμεσης κύριας τάσης (b) οδηγεί σε σημαντική μείωση της διατμητικής αντοχής και αύξηση της συστολικότητας. Η σταθεροποιημένη άμμος εμφανίζει έντονα ανισότροπη συμπεριφορά όπως η άμμος. Όταν ο σ’1-άξονας απομακρύνεται από την κατακόρυφο η αντοχή της μειώνεται σημαντικά και η συστολή αυξάνεται. Η μικρότερη αντοχή παρατηρείται όταν α=60° όπως και στην περίπτωση της πυκνής άμμου Μ31. Ανεξάρτητα της γωνίας α η μέγιστη αντοχή της σταθεροποιημένης άμμου είναι μεγαλύτερη και από αυτή της πυκνής άμμου Μ31. Επιπρόσθετα, η προσθήκη σταθεροποιητή μειώνει τη συστολή και αυξάνει τη διαστολικότητα. Ωστόσο, για α≥45° η σταθεροποιημένη άμμος εμφανίζει ασθενέστερη απόκριση από την άμμο σε χαμηλό λόγο τάσεων, με τη συσσώρευση πλαστικής παραμόρφωσης υπό σταθερό όγκο. Όταν η επιβολή της φόρτισης γίνεται μέσω ελέγχου της τάσης και η στράγγιση είτε είναι εμποδιζόμενη είτε ελεύθερη, η δεύτερη είναι εφικτή πριν και μετά την ασταθή απόκριση, η σταθεροποιημένη χαλαρή άμμος εμφανίζει ασταθή συμπεριφορά, όπως θα έκανε και η χαλαρή άμμος υπό συνθήκες εμποδιζόμενης στράγγισης. Στη συνέχεια της φόρτισης, όταν αρχίζει η διαστολική συμπεριφορά, η σταθεροποιημένη άμμος αναπτύσσει μεγαλύτερη μέγιστη αντοχή και από την πυκνότερη άμμο. Στις δοκιμές συνεχούς στροφής των αξόνων των κυρίων τάσεων υπό σταθερές τιμές αποκλίνουσας τάσης q, μέσης ενεργού τάσης p’ και παραμέτρου b, η απόκριση τουδοκιμίου λόγω της περιστροφής των αξόνων αντανακλά αποκλειστικά την διαφορετική δομή στην αρχή της δοκιμής. Κατά τη στροφή των αξόνων συσσωρεύεται συστολική ογκομετρική παραμόρφωση και αναπτύσσονται πλαστικές επιμέρους παραμορφώσεις. Το μέγεθος των παραμορφώσεων εξαρτάται από την πυκνότητα της άμμου, την τιμή της παραμέτρου ενδιάμεσης κύριας τάσης και τoυ επιβαλλόμενου λόγου τάσεων. Η στροφή των αξόνων των κύριων τάσεων υπό υψηλό λόγο τάσεων οδηγεί στην ανάπτυξη μεγάλων παραμορφώσεων και σε αστοχία των δοκιμίων.Απόκλιση της κύριας κατεύθυνσης τάσεων από την αντίστοιχη κατεύθυνση της κύριας προσαυξητικής πλαστικής παραμόρφωσης (μη συγγραμικότητα) παρατηρείται στη φυσική και σταθεροποιημένη άμμο υπό δοκιμές μονοτονικής φόρτισης ειδικά όταν 30°≤α≤60°. Η απόκλιση είναι ιδιαίτερα σημαντική στο αρχικό στάδιο της φόρτισης. Σε σχέση με τη φόρτιση υπό σταθερή γωνία α, η μη συγγραμικότητα της άμμου είναι πιο έντονη υπό συνεχή μεταβολή της γωνίας α. Η γωνία μη ομοαξονικότητας μειώνεται όταν η στροφή πραγματοποιείται υπό μεγαλύτερο λόγο τάσεων και όταν αυξάνεται η παράμετρος b. Γενικά, η συμπεριφορά της άμμου γίνεται πρακτικά ομοαξονική με τη συσσώρευση διατμητικής παραμόρφωσης κατά την όδευση προς την αστοχία.