Kuormitusajan ja -nopeuden vaikutus saven lujuuteen
Vehmas, Niilo (2021)
Vehmas, Niilo
2021
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-06-15
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202106115840
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202106115840
Tiivistelmä
Työssä tutkittiin muodonmuutosnopeuden ja kuormitusajan vaikutusta saven lujuuteen. Asiaa tutkittiin vertaamalla erisuuruisilla vakiomuodonmuutosnopeuksilla tehtyjen kokeiden antamia murtolujuuksia sekä vertaamalla eri kuormitustasoilla kuormitettujen näytteiden pitkäaikaiskäyttäytymistä. Savien kuormittamista vakiomuodonmuutosnopeuksilla on jossain määrin tutkittu maailmalla, mutta korkealaatuista aineistoa on vähän. Muodonmuutosnopeuden ja saven staattisen kuormittamisen eli niin sanotun creep-kokeen vertailua keskenään on tehty myös vähän.
Tavoitteena työssä oli tuottaa lisää tietoa saven käyttäytymisestä vakiokuormalla ja muodonmuutosnopeudella, sekä mallintaa saven käyttäytymistä tietojen pohjalta. Tuloksia käsiteltiin kriittisen tilan mallin mukaan. Työssä ei käsitelty tarkemmin lämpötilan vaikutusta tai karkeampi rakeisten maalajien käyttäytymistä eri kuormitusnopeuksilla tai kuormitusajoilla. Kirjallisuuskatsauksessa keskityttiin yleisesti käytettyihin tutkimusmenetelmiin kuten ödometri- ja kolmiaksiaalikokeisiin.
Työtä varteen otettiin näytteitä kahdesta eri savilaadusta. Yksi näytteenottopaikka oli Perniö ja toinen Murro. Murron näytteet osoittautuivat huonolaatuisiksi, ja niistä tehdyt kokeet epäonnistuivat. Perniön savinäytteistä tehtiin ödometrikokeita ja kolmiaksiaalikokeita. Ödometrikokeet tehtiin CRS-menetelmällä, jossa näytettä kuormitettiin vakiomuodonmuutosnopeudella. Työssä käytettiin neljää eri muodonmuutosnopeutta: 0,01; 0,0015; 0,0005 ja 0,0001 %/h. Ödometrikokeista määritetty esikonsolidaatiojännitys kasvoi n. 11 % kun muodonmuutosnopeus kasvoi dekadin verran. Creep-parametrin B:n arvoksi määritettiin 0,053. Kolmiaksiaalikokeita tehtiin suljetussa tilassa eri muodonmuutosnopeuksilla. Näytteet konsolidoitiin isotrooppisesti in situ -jännitystilaan. Kokeissa käytetyt nopeudet olivat 10; 1; 0,1 ja 0,03 %/h. Muodonmuutosnopeutta ei muutettu kokeiden aikana. Kolmiaksiaalikokeissa leikkauslujuus kasvoi noin 11 %, kun muodonmuutosnopeutta kasvatettiin dekadin verran. Creep-parametrin B arvoksi saatiin 0,053, joka vastasi ödometrikokeista saatua arvoa.
Työtä varten rakennettiin lisäksi oma laitteisto creep-kolmiaksiaalikokeita varten. Kokeessa savinäytettä kuormitettiin staattisilla painoilla suljetussa tilassa. Näytteet konsolidoitiin anisotrooppisesti in situ -jännitystilaan. Kokeen aikana mitattiin kokoonpuristumaa sekä huokosvedenpainetta. Kokeiden leikkausvaiheessa käytettiin neljää eri deviatorista jännitystä. Suurin ja pienin jännitys valittiin vastaamaan eri muodonmuutosnopeuksilla tehtyjen kolmiaksiaalikokeiden suurinta ja pienintä deviatorista jännitystä. Kokeet, joissa käytettiin kahta suurinta jännitystä, murtuivat. Kaksi muuta koetta eivät olleet murtuneet yli kuukauden odottamisen jälkeen, joten ne lopetettiin kesken. Osassa kokeista huokosvedenpaine alkoi selittämättömästi laskea, kun sellinesteenä käytettiin mäntyöljyä. Näiden kokeiden tuloksia ei käsitelty.
Creep-kokeiden murtokuorma verrattuna murtoajankohdan muodonmuutosnopeuteen olivat samansuuntaisia kuin eri muodonmuutosnopeuksilla tehdyissä kolmiaksiaalikokeissa. Murtumisajankohdan määrittäminen ei kuitenkaan ollut yksiselitteistä creep-kokeissa. Suurimmalla jännityksellä tehdyn creep-kokeen murtumisen alkamisajankohtana vallinnut muodonmuutosnopeus oli hyvin lähellä nopeimpien kolmiaksiaalikokeiden nopeutta. Creep-kokeessa käytetty deviatorinen jännitys myös vastasi ja muodonmuutosnopeudella tehtyjen kolmiaksiaalikokeiden suurinta saavutettua deviatorista jännitystä.
Creep-kolmiaksiaalikokeissa jännityspolku lähestyi murtoviiva. Pienemmillä nopeuksilla murtoviivaa ei saavutettu ja niiden muodonmuutosnopeudet lähestyivät nollaa. Voi olla, että niissä murto olisi saavutettu vasta äärettömän pitkän ajan jälkeen. Kun murtuminen alkaa, muodonmuutosnopeuden pieneneminen ensin pysähtyy, jonka jälkeen se kasvaa. Tämän muutospisteen ennustaminen kuorman perusteella ei onnistu vielä tämän koesarjan perusteella.
Tavoitteena työssä oli tuottaa lisää tietoa saven käyttäytymisestä vakiokuormalla ja muodonmuutosnopeudella, sekä mallintaa saven käyttäytymistä tietojen pohjalta. Tuloksia käsiteltiin kriittisen tilan mallin mukaan. Työssä ei käsitelty tarkemmin lämpötilan vaikutusta tai karkeampi rakeisten maalajien käyttäytymistä eri kuormitusnopeuksilla tai kuormitusajoilla. Kirjallisuuskatsauksessa keskityttiin yleisesti käytettyihin tutkimusmenetelmiin kuten ödometri- ja kolmiaksiaalikokeisiin.
Työtä varteen otettiin näytteitä kahdesta eri savilaadusta. Yksi näytteenottopaikka oli Perniö ja toinen Murro. Murron näytteet osoittautuivat huonolaatuisiksi, ja niistä tehdyt kokeet epäonnistuivat. Perniön savinäytteistä tehtiin ödometrikokeita ja kolmiaksiaalikokeita. Ödometrikokeet tehtiin CRS-menetelmällä, jossa näytettä kuormitettiin vakiomuodonmuutosnopeudella. Työssä käytettiin neljää eri muodonmuutosnopeutta: 0,01; 0,0015; 0,0005 ja 0,0001 %/h. Ödometrikokeista määritetty esikonsolidaatiojännitys kasvoi n. 11 % kun muodonmuutosnopeus kasvoi dekadin verran. Creep-parametrin B:n arvoksi määritettiin 0,053. Kolmiaksiaalikokeita tehtiin suljetussa tilassa eri muodonmuutosnopeuksilla. Näytteet konsolidoitiin isotrooppisesti in situ -jännitystilaan. Kokeissa käytetyt nopeudet olivat 10; 1; 0,1 ja 0,03 %/h. Muodonmuutosnopeutta ei muutettu kokeiden aikana. Kolmiaksiaalikokeissa leikkauslujuus kasvoi noin 11 %, kun muodonmuutosnopeutta kasvatettiin dekadin verran. Creep-parametrin B arvoksi saatiin 0,053, joka vastasi ödometrikokeista saatua arvoa.
Työtä varten rakennettiin lisäksi oma laitteisto creep-kolmiaksiaalikokeita varten. Kokeessa savinäytettä kuormitettiin staattisilla painoilla suljetussa tilassa. Näytteet konsolidoitiin anisotrooppisesti in situ -jännitystilaan. Kokeen aikana mitattiin kokoonpuristumaa sekä huokosvedenpainetta. Kokeiden leikkausvaiheessa käytettiin neljää eri deviatorista jännitystä. Suurin ja pienin jännitys valittiin vastaamaan eri muodonmuutosnopeuksilla tehtyjen kolmiaksiaalikokeiden suurinta ja pienintä deviatorista jännitystä. Kokeet, joissa käytettiin kahta suurinta jännitystä, murtuivat. Kaksi muuta koetta eivät olleet murtuneet yli kuukauden odottamisen jälkeen, joten ne lopetettiin kesken. Osassa kokeista huokosvedenpaine alkoi selittämättömästi laskea, kun sellinesteenä käytettiin mäntyöljyä. Näiden kokeiden tuloksia ei käsitelty.
Creep-kokeiden murtokuorma verrattuna murtoajankohdan muodonmuutosnopeuteen olivat samansuuntaisia kuin eri muodonmuutosnopeuksilla tehdyissä kolmiaksiaalikokeissa. Murtumisajankohdan määrittäminen ei kuitenkaan ollut yksiselitteistä creep-kokeissa. Suurimmalla jännityksellä tehdyn creep-kokeen murtumisen alkamisajankohtana vallinnut muodonmuutosnopeus oli hyvin lähellä nopeimpien kolmiaksiaalikokeiden nopeutta. Creep-kokeessa käytetty deviatorinen jännitys myös vastasi ja muodonmuutosnopeudella tehtyjen kolmiaksiaalikokeiden suurinta saavutettua deviatorista jännitystä.
Creep-kolmiaksiaalikokeissa jännityspolku lähestyi murtoviiva. Pienemmillä nopeuksilla murtoviivaa ei saavutettu ja niiden muodonmuutosnopeudet lähestyivät nollaa. Voi olla, että niissä murto olisi saavutettu vasta äärettömän pitkän ajan jälkeen. Kun murtuminen alkaa, muodonmuutosnopeuden pieneneminen ensin pysähtyy, jonka jälkeen se kasvaa. Tämän muutospisteen ennustaminen kuorman perusteella ei onnistu vielä tämän koesarjan perusteella.