Μελέτη επίδρασης της διόγκωσης/συρρίκνωσης των αργίλων στην ανάλυση και σχεδιασμό γενικών κοιτοστρώσεων

Abstract

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η επίδραση της διογκωσιμότητας των αργιλικών εδαφών στα εντατικά μεγέθη που αναπτύσσονται σε γενικές κοιτοστρώσεις. Τα διογκώσιμα εδάφη εξακολουθούν να είναι πηγή προβλημάτων σε ολόκληρο τον κόσμο εξαιτίας της διόγκωσης ή συρρίκνωσης που αναπτύσσουν κατά τη διαβροχή ή την ξήρανσή τους, αντίστοιχα. Οι ογκομετρικές αυτές παραμορφώσεις επιβάλλουν στη θεμελίωση που εδράζεται σε τέτοια εδάφη επιπλέον καταπονήσεις με αποτέλεσμα την ανάπτυξη διαφόρων μορφών αστοχίας στην ανωδομή. Το κόστος των ζημιών που προκαλούνται στις κατασκευές εξαιτίας αυτού του φαινομένου εκτιμάται ότι ανέρχεται σε ετήσια βάση τα δεκάδες δισεκατομμύρια ευρώ παγκοσμίως. Στην Κύπρο, το αντίστοιχο κόστος εκτιμάται στα 10 με 20 εκ. ευρώ. Το γεγονός αυτό, καθώς και η έλλειψη εμπειρίας και αξιόπιστων μεθοδολογιών για τη διαστασιολόγηση των θεμελιώσεων που επηρεάζονται από αυτό το φαινόμενο αποτέλεσαν το κίνητρο για την εκπόνηση της παρούσας έρευνας. Για την υλοποίηση της έρευνας έγινε αρχικά δειγματοληψία και εγκατάσταση αισθητήρων για καταγραφή δεδομένων μύζησης και ογκομετρικού ποσοστού υγρασίας εδάφους σε θέση της Πανεπιστημιούπολης του Πανεπιστημίου Κύπρου όπου η διογκώσιμη μάργα Λευκωσίας εμφανίζεται επιφανειακά. Στη συνέχεια, εκτελέστηκε μια σειρά εργαστηριακών δοκιμών ώστε να προσδιοριστούν τα φυσικά και μηχανικά χαρακτηριστικά της μάργας που σχετίζονται με το μηχανισμό ανάπτυξης ογκομετρικών παραμορφώσεων λόγω μεταβολών της περιεχόμενης υγρασίας. Τα εργαστηριακά αποτελέσματα μαζί με τα αποτελέσματα καταγραφών ενός πειράματος διαβροχής που πραγματοποιήθηκε στο πεδίο παρείχαν τις πληροφορίες για τον προσδιορισμό των υδραυλικών χαρακτηριστικών της μάργας στο πεδίο. Αυτό επετεύχθη με εκτέλεση αντίστροφων αναλύσεων δοκιμής-σφάλματος του πειράματος διαβροχής σε πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων. Ακολούθως πραγματοποιήθηκαν παραμετρικές αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων ροής υπό συνθήκες μερικού κορεσμού έτσι ώστε να μελετηθεί το φαινόμενο της μετανάστευσης υγρασίας κάτω από γενική κοιτόστρωση, εισάγοντας κλιματικά δεδομένα της υπό μελέτη περιοχής. Σε αυτές τις αναλύσεις εξετάστηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων όπως το πάχος και το σχήμα της θεμελίωσης, η υδραυλική διαπερατότητα του εδάφους, η παρουσία ή μη υδροφόρου ορίζοντα σε μικρό βάθος, καθώς και η εφαρμογή μεθόδων βελτίωσης (προ-διαβροχή και αντικατάσταση εδάφους με αμμοχάλικο). Στη συνέχεια, καταστρώθηκε ένα απλό καταστατικό προσομοίωμα για χρήση σε συζευγμένες αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων για τη μελέτη αλληλεπίδρασης διογκώσιμου εδάφους-θεμελίωσης. Το συγκεκριμένο μοντέλο συνδυάζει ένα μη-γραμμικό ελαστικό νόμο με ένα μηχανισμό ο οποίος προβλέπει πλαστικές ογκομετρικές παραμορφώσεις λόγω μεταβολών της εδαφικής μύζησης. Το μοντέλο βαθμονομήθηκε με βάση τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών διόγκωσης/κατάρρευσης σε οιδήμετρο που πραγματοποιήθηκαν σε δείγματα μάργας Λευκωσίας. Έχοντας βαθμονομήσει το καταστατικό προσομοίωμα, εκτελέστηκε σειρά παραμετρικών συζευγμένων αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων μηχανικής παραμόρφωσης-μερικώς κορεσμένης ροής με στόχο τη μελέτη των παραμορφώσεων που αναπτύσσονται σε γενικές κοιτοστρώσεις λόγω διόγκωσης/συρρίκνωσης του εδάφους θεμελίωσης. Οι αναλύσεις κατέδειξαν ότι οι ογκομετρικές μεταβολές που αναπτύσσονται εξαιτίας της μετανάστευσης υγρασίας από/προς την κοιτόστρωση δύνανται να προκαλέσουν σημαντική αύξηση στις καμπτικές ροπές, ειδικά σε ξηρές περιόδους. Τέλος, γνωρίζοντας τα προφίλ διαφορικών μετατοπίσεων της πλάκας (ανυψώσεων/καθιζήσεων) που προέκυψαν από τις συζευγμένες παραμετρικές αναλύσεις, έγινε εξαγωγή της κατανομής των ισοδύναμων ελατηρίων Winkler που θα επιτρέπουν τη σωστή πρόβλεψη των εντατικών μεγεθών εντός μιας κοιτόστρωσης επί διογκώσιμου εδάφους σε κοινά προγράμματα στατικής ανάλυσης κατασκευών (π.χ. SAP2000).

The dissertation studies the effects of the swelling/collapse behavior of clayey soils to the moments and forces developing in mat foundations. Expansive soils still remain today a source of problems to structures around the world due to their swelling/shrinkage upon wetting or drying. These volumetric deformations impose additional stresses on the foundations, resulting in the development of various forms of failure in the superstructures. The cost of damages caused by this phenomenon is estimated to reach on an annual basis tens of billions of euros worldwide. In Cyprus, the respective cost is estimated at 10 to 20 million euros. This fact along with the lack of reliable methods and experience in designing foundations affected by such soils constitutes the main motive for undertaking the present research study. In the context of the present study, sampling and installation of field sensors monitoring matric suction and volumetric water content were done at a site in the new campus of the University of Cyprus where expansive Nicosia marl outcrops. A series of laboratory tests followed in order to determine the physical and mechanical characteristics of the marl that pertain to the development of volumetric deformations caused by moisture content changes. The laboratory results and the time-history data obtained from a field wetting experiment provided important information for the determination of the in-situ hydraulic characteristics of the soil. This was achieved through trial and error back-calculation analyses of the wetting experiment in a finite element program. Subsequently, parametric unsaturated flow analyses were performed in order to study the moisture migration under a mat foundation having as input the climatic data of the study area. The parametric analyses examined the effects of different parameters in the absence or presence of a shallow water table such as the thickness and the shape of foundation, the hydraulic and water retention characteristics of the soil, and the execution of two common soil improvement strategies, namely prewetting and soil replacement with sand and gravel. A simple constitutive model was then established to be used in coupled parametric analyses examining the interaction between expansive soil and mat foundation. The model combines a non-linear elastic law with a mechanism that predicts plastic volumetric deformations due to changes in soil suction. The model has been implemented in a finite element program and calibrated against experimental data from oedometer swelling/collapse tests on Nicosia marl. Having calibrated the model, a series of coupled mechanical-unsaturated flow parametric finite element simulations was performed in order to study the deformations developing in mats due to swelling/shrinkage of the foundation soil. The analyses showed that soil volume changes caused by moisture migration in the vicinity of the foundation can generate significant increase in the bending moments, especially during the dry season. Finally, the equivalent Winkler springs distributions across the mat was extracted by using the profile of differential deformations (uplifts/settlements) resulting from the coupled finite element analyses. These will allow the accurate prediction of bending moments in mats lying on swelling soils in commonly used structural analysis software (e.g. SAP2000).