Топырақтың көлемі төмендеу процесі

Кіріспе

Топырақтардың көлемін азайту процесі

Топырақ консолидациясы – бұл қысымның өзгеруіне жауап ретінде топырақтың көлемінің біртіндеп өзгеруіне байланысты механикалық процесс. Бұл топырақ үш фазалы материал болғандықтан, топырақ түйіршіктері мен кеуекті сұйықтығынан, әдетте жер асты суларынан тұрады. Сумен қаныққан топырақ қысымның артуына ұшыраса, топырақ матрицасына қарағанда судың жоғары көлемдік қатаңдығы бастапқыда судың барлық қысым өзгерісін көлемін өзгертпей сіңіріп алып, артық кеуекті су қысымын тудырады. Судың кеуекті қысымның жоғары аймақтарынан сіңіп кетуіне байланысты, топырақ матрицасы қысым өзгерісін біртіндеп қабылдап, көлемін қысқартады. Консолидацияның теориялық негізі тиімді кернеу және гидравликалық өткізгіштік ұғымдарымен тығыз байланысты. Теориялық қазіргі үлгілердің алғашқылары бір ғасыр бұрын Карл Терзаги және Пол Филлунгер есімді екі түрлі тәсіл бойынша ұсынған. Терзагидің үлгісі қазіргі уақытта инженерлік тәжірибеде ең көп қолданылады және диффузия теңдеуіне негізделген. Тар мағынада "консолидация" судың біртіндеп қозғалысына байланысты қысымның өзгеруіне осы кідірілген көлемдік жауапты ғана білдіреді. Кейбір жарияланымдар "консолидацияны" кең мағынада қолданады, бұл - топырақтың көлемінің қолданылатын қысымның өзгеруіне байланысты өзгеруіне байланысты кез келген процесті білдіреді. Бұл кең анықтама топырақ тығыздалуы, шөгу және көтерілу туралы жалпы ұғымды қамтиды. Топырақтың кейбір түрлері, әсіресе органикалық заттарға байлары, судың диффузиясына байланысты консолидацияға қарағанда ұзақ уақыт аралығында тұрақты тиімді кернеу кезінде топырақ көлемін баяу өзгертетін айқын иілуді көрсетеді. Екі механизмді ажырату үшін "біріншілік консолидация" судың артық қысымының таралуына байланысты консолидацияны, ал "екіншілік консолидация" иілу процесін білдіреді. Консолидацияның әсері ғимараттың төмен қатаңдыққа және төмен өткізгіштікке ие топырақ қабатының үстінде орналасқан жерде, мысалы, теңіз балшығында, көп жылдар бойы үлкен шөгуге әкелетін жерде ең айқын байқалады. Құрылыс жобаларының техникалық тәуекел тудыратын түрлеріне жерді мелиорациялау, бөгеттер салу және балшықтағы туннельдер мен жертөлелерді қазу жатады. Геотехникалық инженерлер консолидацияның әсерін анықтау үшін эдометрлерді қолданады. Эдометрлік сынақ кезінде топырақ үлгісінің жұқа дискісіне белгілі бір қысымдар сериясы қолданылады және үлгі қалыңдығының уақыт бойынша өзгеруі тіркеледі. Бұл топырақтың консолидациялық сипаттамаларын консолидация коэффициенті және гидравликалық өткізгіштік тұрғысынан анықтауға мүмкіндік береді. Балшықтар сыртқы жүктемелердің (қосымша жүктемелер) әрекетінен ғана емес, сонымен қатар өз салмағының немесе балшық үстіндегі топырақтардың салмағының әсерінен де консолидациялық шөгуге ұшырайды. Балшықтар жер асты суларын сорғылау арқылы сусыздалған кезде де шөгуге ұшырайды, өйткені балшыққа түсетін тиімді қысым артады. Ірі ұсақ топырақтар балшықтарға қарағанда салыстырмалы түрде жоғары гидравликалық өткізгіштігі болғандықтан консолидациялық шөгуге ұшырамайды. Оның орнына, ірі ұсақ топырақтар бірден шөгуге ұшырайды.

Soil consolidation refers to the mechanical process by which soil changes volume gradually in response to a change in pressure. This happens because soil is a three phase material, comprising soil grains and pore fluid, usually groundwater. When soil saturated with water is subjected to an increase in pressure, the high volumetric stiffness of water compared to the soil matrix means that the water initially absorbs all the change in pressure without changing volume, creating excess pore water pressure. As water diffuses away from regions of high pressure due to seepage, the soil matrix gradually takes up the pressure change and shrinks in volume. The theoretical framework of consolidation is therefore closely related to the concept of effective stress, and hydraulic conductivity. The early theoretical modern models were proposed one century ago, according to two different approaches, by Karl Terzaghi and Paul Fillunger. The Terzaghi’s model is currently the most utilized in engineering practice and is based on the diffusion equation. In the narrow sense, "consolidation" refers strictly to this delayed volumetric response to pressure change due to gradual movement of water. Some publications also use "consolidation" in the broad sense, to refer to any process by which soil changes volume due to a change in applied pressure. This broader definition encompasses the overall concept of soil compaction, subsidence, and heave. Some types of soil, mainly those rich in organic matter, show significant creep, whereby the soil changes volume slowly at constant effective stress over a longer time scale than consolidation due to the diffusion of water. To distinguish between the two mechanisms, "primary consolidation" refers to consolidation due to dissipation of excess water pressure, while "secondary consolidation" refers to the creep process. The effects of consolidation are most conspicuous where a building sits over a layer of soil with low stiffness and low permeability, such as marine clay, leading to large settlement over many years. Types of construction project where consolidation often poses technical risk include land reclamation, the construction of embankments, and tunnel and basement excavation in clay. Geotechnical engineers use oedometers to quantify the effects of consolidation. In an oedometer test, a series of known pressures are applied to a thin disc of soil sample, and the change of sample thickness with time is recorded. This allows the consolidation characteristics of the soil to be quantified in terms of the coefficient of consolidation and hydraulic conductivity
Clays undergo consolidation settlement not only by the action of external loads (surcharge loads) but also under its own weight or weight of soils that exist above the clay. Clays also undergo settlement when dewatered (groundwater pumping) because the effective stress on the clay increases. Coarse grained soils do not undergo consolidation settlement due to relatively high hydraulic conductivity compared to clays. Instead, Coarse grained soils undergo the immediate settlement.

Тарих және терминология

Топырақтың нығуын сипаттайтын алғашқы заманауи теориялық модельдерді 1920 жылдары Терзаги мен Филлунгер екі түбегейлі түрлі көзқарас бойынша ұсынған.

Көктемдегі ұқсастық

Консолидация процесі көбінесе серіппеден, қақпағында тесігі бар ыдыстан және судан тұратын идеалды жүйе арқылы түсіндіріледі. Бұл жүйеде серіппе топырақтың сығымдалу қабілетін немесе құрылымын көрсетеді, ал ыдысты толтыратын су топырақтағы кезендік суды білдіреді. Ыдыс толығымен суға толы болады, сосын тесігі жабылады. (Толық қаныққан топырақ)
Қақпаққа жүктеме салынады, ал тесік әлі ашылмаған. Бұл кезеңде тек су ғана қолданылған жүктемеге қарсы тұрады. (Артық кезендік су қысымының пайда болуы)
Тесік ашылғаннан кейін, су тесік арқылы ағып шыға бастайды және серіппе қысқарады. (Артық кезендік су қысымының төмендеуі)
Біраз уақыттан соң судың ағып шығуы тоқтатылады. Енді серіппе ғана жүктемеге қарсы тұрады. (Артық кезендік су қысымының толық таралуы. Консолидацияның аяқталуы)