ความบวมของดินและความสัมพันธ์ระหว่างมวลและปริมาตร

ปริมาณความชื้นความถ่วงจำเพาะของของแข็งปริมาณเริ่มต้นและน้ำหนักที่กำหนด ฉันขอให้คำนวณน้ำหนักหน่วยชื้นน้ำหนักหน่วยแห้งและระดับความอิ่มตัวของดินที่ถูกบดอัดนี้ สิ่งนี้ได้ทำไปแล้ว ตัวอย่างดินอัดนี้ถูกแช่ในน้ำแล้ว หลังจาก 2 สัปดาห์พบว่ากลุ่มตัวอย่างบวมและปริมาตรรวมเพิ่มขึ้น 5% จากนั้นฉันก็ขอให้คำนวณหน่วยน้ำหนักและความชื้นใหม่ของตัวอย่างดินหลังจาก 2 สัปดาห์ของการแช่ในน้ำ

ปริมาณความชื้นและปริมาตรรวมเป็นที่ทราบกันว่ามีการเปลี่ยนแปลง แต่คุณสมบัติใดที่คงที่ในระหว่างการแช่ S (r) ถือเป็น 1 ได้หรือไม่?

ข้อมูลที่ให้มาอธิบายตัวอย่างดินที่บดอัดแล้วมีดังนี้:

• ความชื้นเริ่มต้น, $\omega_{init}$
• ความถ่วงจำเพาะ$G_s$
• ปริมาณเริ่มต้น$V_{init}$
• น้ำหนักเริ่มต้น$W_{init}$

เพื่อความสมบูรณ์: ข้อมูลต่อไปนี้ได้ถูกกำหนดแล้ว:

• น้ำหนักต่อหน่วยชื้น, โดยใช้ความสัมพันธ์γ w e t = W ฉันn ฉัน$\gamma_{wet}$$\gamma_{wet}=\frac{W_{init}}{V_{init}}$
• น้ำหนักของหน่วยแห้ง, โดยใช้ความสัมพันธ์γ d - i n ฉันt = γ w e $\gamma_{d-init}$$\gamma_{d-init}=\frac{\gamma_{wet}}{1+\omega_{init}}$
• ความอิ่มตัวของสี, โดยใช้ความสัมพันธ์S = 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}}$

$\gamma_w$

ปัญหา

ปัญหาคือการกำหนดน้ำหนักหน่วยและปริมาณความชื้นหลังจากตัวอย่างดินจมอยู่ใต้น้ำและได้รับอนุญาตให้บวม 5%

รายละเอียดที่สำคัญสำหรับปัญหานี้คือ:

This compacted soil sample was then submerged in water.... After two weeks...

A soil sample that has been submerged in water for two weeks can/should be assumed** to have become saturated ($S=100\%$); i.e., all of the air in the void spaces has escaped, and the void space is now 100% filled with water.

The list of soil sample properties that can be assumed to remain constant after submersion is fairly short:

• Specific gravity, $G_s$
• Weight of solids, $W_s$

All of the other properties, such as saturation, unit weight, dry unit weight, moisture/water content, void ratio, etc. are dependent on the volume of voids and the amount of water in the soil. Both the amount of water (it was submerged) and the volume (it has swelled) have changed, so ALL of these properties will also change.

Once all of this has been recognized, the remaining portion of the problem is trivial:

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

Mechanism of Soil Swelling Behavior

The simplified effective stress equation is as follows:

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

Where $\sigma^{\prime}$ is the effective stress, $\sigma$ is the total stress, and $u$ is the pore water pressure.

The above equation assumes a static condition. However, when the simplified effective stress equation is imbalanced, a dynamic condition occurs and the soil must either consolidate (i.e, "shrink"), or swell. Swelling of soil occurs when the two sides of the simplified effective stress equation are not balanced, and:

1. There is positive pore water pressure inside the void space of the soil, and
2. the effective stress inside of the soil matrix is greater than the externally applied total stress minus the pore water pressure.

Said another way: when a soil is compacted, some amount of total stress is applied. Once equilibrium has been achieved, this total stress is associated with some combination of effective stress and pore water pressure. If the total stress changes, the previous combination of effective stress and pore water pressure within the soil matrix initially remains, but the imbalance this causes must dissipate over time. In order for the imbalance to dissipate, the voids must either increase in volume (swelling), or decrease in volume (consolidation), depending on the nature of the imbalance.

In this case, the total stress has been removed/reduced. The pore water pressure is "pushing" against the "walls" of the soil matrix pores (as always happens when $u>0$ - even when the simplified effective stress equation is balanced). Due to the reduction of total stress, there is too much internal stress (i.e., effective stress) being applied, and it must be relieved by a decrease in *pore water pressure * (i.e., an increase in volume). Or said another way, the applied total stress is not enough to stop the pores from expanding due to the pushing of the internal pore water pressure. Therefore the soil will swell until this imbalanced condition is resolved.

** เหตุผลสำหรับข้อสันนิษฐานนี้ค่อนข้างซับซ้อนและการสันนิษฐานอาจไม่แม่นยำเสมอไป อย่างไรก็ตามโดยทั่วไปข้อสันนิษฐานที่อนุรักษ์นิยมมากที่สุดสำหรับปัญหาดิน / ปัญหาทางธรณีเทคนิคคือดินจะอิ่มตัว ดังนั้นหากมีเหตุผลที่เชื่อได้ว่าดินอาจอิ่มตัวถึงแม้ว่าจะมีความไม่แน่นอนเราก็มักจะคิดว่าดินนั้นมีความอิ่มตัว

ดูแผนภาพทั่วไปของดินที่แสดงดิน / น้ำ / อากาศ:

ง่าย

คิดอย่างง่ายๆเกี่ยวกับรายการที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้:

• มวลดินไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ ไม่มีการเพิ่มดิน มันจะเป็นการดีถ้าสมมติว่าไม่มีปฏิกิริยาเคมีที่สำคัญเกิดขึ้น
• มวลน้ำสามารถเปลี่ยนแปลงได้ มันกำลังนั่งอยู่ในน้ำ
• อากาศไม่สามารถเพิ่มขึ้นได้หากตัวอย่างจมอยู่ใต้น้ำ ละเว้นปฏิกิริยาทางเคมีที่สำคัญที่อาจสร้างก๊าซอีกครั้ง
• มวลและปริมาตรมีอัตราส่วนที่กำหนดชัดเจนสำหรับสารแต่ละชนิด

จากรายการเหล่านี้วิธีเดียวที่ปริมาณจะเพิ่มขึ้นก็คือถ้าปริมาณน้ำเพิ่มขึ้น นี่จะหมายถึงการเพิ่มปริมาณของช่องว่าง

นั่นเป็นวิธีคิดที่เรียบง่าย (อาจไร้เดียงสา)

นี่คือที่ที่Atterberg Limitsเข้ามาเล่น พวกเขากำหนดเนื้อหาของน้ำที่คุณสมบัติทางกายภาพของดินเปลี่ยนแปลง

ซับซ้อน

วิธีคิดที่ซับซ้อนมากขึ้นเกี่ยวกับระบบก็คือการพิจารณาการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของดิน หากไม่เจาะจงเจาะจงมากเกินไปในสิ่งที่ฉันไม่มีคุณสมบัติที่จะอธิบายเป็นไปได้ว่าปฏิกิริยาทางเคมีอาจเกิดขึ้นซึ่งทำให้ปริมาณดินเพิ่มขึ้นด้วยตัวเอง คิดว่าสนิมเป็นปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้เหล็กเพิ่มปริมาณได้อย่างมีประสิทธิภาพ สิ่งนี้จะเปลี่ยนมวล

การรวมปฏิกิริยาทางเคมีเข้าด้วยกันสร้างคำถามดังนี้

• มันสมเหตุสมผลหรือไม่ที่จะเปรียบเทียบคุณสมบัติของสารประกอบดินใหม่นี้กับสารประกอบดินเก่า
• ปฏิกิริยากลับด้านได้หรือไม่? เช่นการทำให้ตัวอย่างแห้งจะทำให้ทุกอย่างกลับไปสู่มวลและปริมาตรดั้งเดิมหรือไม่?

โดยไม่มีข้อ จำกัด เพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งที่เรากำลังทำงานด้วยมันยากที่จะให้คำตอบที่ชัดเจน