Bodenschwellung und Masse / Volumen-Beziehungen

Angesichts des Feuchtigkeitsgehalts, des spezifischen Gewichts der Feststoffe, des Anfangsvolumens und des Gewichts. Ich werde gebeten, das feuchte Einheitsgewicht, das trockene Einheitsgewicht und den Sättigungsgrad dieses verdichteten Bodens zu berechnen. Dies ist bereits erledigt. Diese verdichtete Bodenprobe wurde dann in Wasser getaucht. Nach 2 Wochen wurde festgestellt, dass die Probe gequollen war und ihr Gesamtvolumen um 5% zugenommen hatte. Dann werde ich gebeten, das neue Einheitsgewicht und den neuen Feuchtigkeitsgehalt der Bodenprobe nach 2 Wochen Eintauchen in Wasser zu berechnen.

Es ist bekannt, dass sich der Feuchtigkeitsgehalt und das Gesamtvolumen ändern. Welche Eigenschaften bleiben jedoch während des Eintauchens konstant? Kann S (r) als 1 genommen werden?

Die gegebenen Informationen, die eine verdichtete Bodenprobe beschreiben, lauten wie folgt:

• anfänglicher Feuchtigkeitsgehalt,$\omega_{init}$
• spezifisches Gewicht,$G_s$
• Anfangsvolumen,$V_{init}$
• Anfangsgewicht,$W_{init}$

Der Vollständigkeit halber: Folgende Informationen wurden bereits ermittelt:

• feuchtes Einheitsgewicht, Verwendung der Beziehung γ w e t = W i n i $\gamma_{wet}$$\gamma_{wet}=\frac{W_{init}}{V_{init}}$
• Trockengewicht, Verwendung der Beziehung γ d - i n i t = γ w e $\gamma_{d-init}$$\gamma_{d-init}=\frac{\gamma_{wet}}{1+\omega_{init}}$
• Sättigung, Verwendung der BeziehungS = 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}}$

(wobei das Einheitsgewicht von Wasser ist)$\gamma_w$

Problem

Das Problem besteht darin, das Einheitsgewicht und den Feuchtigkeitsgehalt zu bestimmen, nachdem die Bodenprobe eingetaucht wurde und 5% quellen gelassen wurde.

Das Hauptdetail für dieses Problem ist:

Diese verdichtete Bodenprobe wurde dann in Wasser getaucht .... Nach zwei Wochen ...

Es kann / sollte angenommen werden, dass eine Bodenprobe, die zwei Wochen lang in Wasser getaucht wurde **, gesättigt ist ( ); Das heißt, die gesamte Luft in den Hohlräumen ist entweichen, und der Hohlraum ist jetzt zu 100% mit Wasser gefüllt.$S=100\%$

Die Liste der Bodenprobeneigenschaften, von denen angenommen werden kann, dass sie nach dem Eintauchen konstant bleiben, ist ziemlich kurz:

• Spezifisches Gewicht, $G_s$
• $W_s$

Alle anderen Eigenschaften wie Sättigung, Einheitsgewicht, Trockengewicht, Feuchtigkeits- / Wassergehalt, Hohlraumverhältnis usw. hängen vom Hohlraumvolumen und der Wassermenge im Boden ab. Sowohl die Wassermenge (es wurde eingetaucht) als auch das Volumen (es ist angeschwollen) haben sich geändert, sodass sich auch ALLE diese Eigenschaften ändern.

Sobald all dies erkannt wurde, ist der verbleibende Teil des Problems trivial:

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

Mechanismus des Quellquellverhaltens

Die vereinfachte effektive Spannungsgleichung lautet wie folgt:

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

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

Die obige Gleichung nimmt einen statischen Zustand an. Wenn jedoch die vereinfachte effektive Spannungsgleichung nicht ausgeglichen ist, tritt ein dynamischer Zustand auf und der Boden muss sich entweder verfestigen (dh "schrumpfen") oder anschwellen. Das Anschwellen des Bodens tritt auf, wenn die beiden Seiten der vereinfachten effektiven Spannungsgleichung nicht ausgeglichen sind und:

1. Es gibt einen positiven Porenwasserdruck im Hohlraum des Bodens und
2. Die effektive Spannung innerhalb der Bodenmatrix ist größer als die von außen angelegte Gesamtspannung abzüglich des Porenwasserdrucks.

Anders gesagt: Wenn ein Boden verdichtet wird, wird eine gewisse Gesamtbelastung angewendet. Sobald das Gleichgewicht erreicht ist, ist diese Gesamtspannung mit einer Kombination aus effektiver Spannung und Porenwasserdruck verbunden . Wenn sich die Gesamtspannung ändert, bleibt zunächst die vorherige Kombination aus effektiver Spannung und Porenwasserdruck in der Bodenmatrix erhalten, aber das dadurch verursachte Ungleichgewicht muss sich mit der Zeit auflösen. Damit sich das Ungleichgewicht auflöst, müssen die Hohlräume je nach Art des Ungleichgewichts entweder an Volumen zunehmen (Schwellung) oder an Volumen abnehmen (Konsolidierung).

$u>0$

** Die Gründe für diese Annahme sind etwas kompliziert und die Annahme ist möglicherweise nicht immer richtig. Im Allgemeinen ist die konservativste Annahme für die meisten bodenmechanischen / geotechnischen Probleme jedoch, dass der Boden gesättigt ist. Wenn Grund zu der Annahme besteht, dass der Boden gesättigt sein könnte, gehen wir fast immer davon aus, dass der Boden tatsächlich gesättigt ist.

Schauen Sie sich das typische Diagramm des Bodens an, das Boden / Wasser / Luft zeigt:

Einfach

Einfach darüber nachdenken, welche Dinge sich ändern könnten:

• Die Bodenmasse kann sich nicht ändern. Es wurde kein Boden hinzugefügt. Es wäre gut anzunehmen, dass auch keine größeren chemischen Reaktionen auftraten.
• Die Wassermasse kann sich ändern. Es saß im Wasser.
• Die Luft kann nicht ansteigen, wenn die Probe eingetaucht wurde. Ignorieren Sie erneut alle wichtigen chemischen Reaktionen, die Gas erzeugen könnten.
• Masse und Volumen haben für jede Substanz ein genau definiertes Verhältnis.

Von diesen Elementen aus wäre die einzige Möglichkeit, das Volumen zu erhöhen, wenn das Wasservolumen zunimmt. Dies würde eine Zunahme des Hohlraumvolumens bedeuten.

Das ist die einfache (vielleicht naive) Art, darüber nachzudenken.

Hier kommen auch die Atterberg Limits ins Spiel. Sie definieren den Wassergehalt, bei dem sich die physikalischen Eigenschaften des Bodens ändern.

Kompliziert

Die kompliziertere Art, über das System nachzudenken, besteht darin, chemische Veränderungen des Bodens zu berücksichtigen. Ohne zu spezifisch auf Dinge einzugehen, für deren Erklärung ich nicht qualifiziert bin, können chemische Reaktionen auftreten, die dazu führen, dass das Bodenvolumen von selbst zunimmt. Denken Sie darüber nach, wie Rost eine chemische Reaktion ist, die effektiv dazu führt, dass Stahl an Volumen zunimmt. Dies würde auch die Masse verändern.

Das Einbeziehen chemischer Reaktionen in die Mischung wirft Fragen auf wie:

• Ist es sinnvoll, die Eigenschaften dieser neuen Bodenverbindung mit der alten Bodenverbindung zu vergleichen ?
• Ist die Reaktion reversibel? zB Führt das Trocknen der Probe dazu, dass alles auf die ursprünglichen Massen und Volumina zurückkehrt?

Ohne weitere Einschränkungen bei der Arbeit ist es schwierig, eine endgültige Antwort zu geben.