¿Cuáles son las principales propiedades técnicas del suelo?
Los diferentes tipos de proyectos tienen diferentes enfoques y profundidades de investigación sobre las propiedades físicas y mecánicas del suelo. Para edificios con estrictas restricciones de asentamiento, es necesario comprender en detalle las características de compresión y consolidación del suelo y las capas del suelo; los proyectos de talud natural o artificial requieren indicadores confiables de resistencia al corte del suelo cuando se usa suelo como relleno, su clase de tamaño de partícula coincide; y las características de compactación son los principales parámetros.
La edad de formación y el origen del suelo tienen una gran influencia en las propiedades técnicas del suelo. Las propiedades mecánicas del suelo de diferentes tipos de origen serán muy diferentes (ver suelo y suelo). Varios suelos especiales (loess, suelo blando, suelo expansivo, suelo helado, suelo salino, arcilla roja, etc.) tienen sus propias propiedades técnicas únicas. Además de la gradación del tamaño de las partículas del suelo, las proporciones de varios componentes (fase sólida, fase líquida, fase gaseosa) en el suelo también afectarán las propiedades físicas del suelo, como la densidad aparente, el contenido de agua, la proporción de vacíos, saturación, porosidad, etc. ?
Los cambios en el contenido de humedad del suelo arcilloso también cambiarán el estado del suelo. Ataibao propuso por primera vez dividir los estados del suelo en tres estados: duro, plástico y fluido, y propuso un método para determinar el contenido de humedad límite para distinguir los tres estados. El contenido de agua límite desde el flujo hasta el estado plástico se llama límite líquido; el contenido de agua límite desde el estado plástico hasta el estado duro se llama límite plástico. La diferencia entre los dos se llama índice de plasticidad del suelo, que refleja el rango de estados plásticos del suelo.
El contenido de humedad límite del suelo está estrechamente relacionado con el contenido de arcilla y el tipo de mineral arcilloso del suelo. Para reflejar el estado del suelo arcilloso natural, a menudo se utiliza el índice líquido, que es igual a la relación entre la diferencia (-) entre el contenido de agua natural y el límite plástico y su índice de plasticidad. Cuando ≤0, el suelo está en estado duro; cuando gt1 está en estado fluido, cuando 0 ≤≤≤1, está en estado plástico. ?
La densidad de la arena es uno de los factores importantes que determinan las propiedades mecánicas de la arena. Se expresa mediante densidad relativa: = (-)/(-). La proporción de huecos en el estado natural, la proporción de huecos en el estado suelto de arena y la proporción de huecos en el estado más denso. El material 1 es el más denso; cuando ≈0, es el más suelto.
Características de compresión y consolidación del suelo El volumen de suelo se comprimirá bajo carga. Al medir las características de compresión del suelo, se puede analizar el asentamiento de los cimientos y la deformación del suelo de los edificios de ingeniería. El tiempo de compresión de la arcilla saturada depende de la velocidad a la que se drena el agua de los poros del suelo. El proceso de completar gradualmente la compresión del suelo, es decir, el agua de los poros del suelo se descarga del suelo bajo la acción de la presión, y el proceso en el que desaparece la presión de los poros se denomina consolidación o filtración del suelo.
K Terzaghi propuso por primera vez la teoría de la consolidación unidimensional para calcular el proceso de consolidación del suelo y señaló que después de que el exceso de presión de agua de los poros en algunas arcillas desaparece por completo, el suelo puede continuar comprimiéndose, lo cual es la llamada consolidación secundaria. Generalmente se considera que la causa de la consolidación secundaria es la deformación estructural del suelo. El índice que refleja la velocidad de consolidación del suelo es el coeficiente de consolidación. El coeficiente de consolidación horizontal y el coeficiente de consolidación vertical de la capa de suelo no son necesariamente iguales.
La compresión del suelo también está relacionada con su historial de tensiones. La presión de consolidación efectiva máxima experimentada por una capa de suelo durante su historia de acumulación se denomina presión de consolidación temprana. Cuando es igual a la presión suprayacente efectiva que actúa hoy, el suelo normalmente es suelo consolidado; si la presión de consolidación anterior es mayor que la presión suprayacente actual, es suelo sobreconsolidado; de lo contrario, es suelo subconsolidado; Para suelos sobreconsolidados, cuando la carga externa es menor que su presión de consolidación temprana, la compresión de la capa de suelo es muy pequeña. Una vez que la carga externa excede la presión de consolidación temprana, la deformación del suelo aumentará significativamente.
Las características de resistencia del suelo generalmente se refieren a la capacidad del suelo para resistir daños por corte y son uno de los indicadores importantes para calcular la capacidad de carga de los cimientos, la presión del suelo y la estabilidad de las pendientes. Está relacionado con el tipo de suelo, densidad, contenido de humedad y condiciones de estrés. La resistencia de la arena o grava saturada o seca se expresa como la fricción en la superficie de contacto de las partículas, que está relacionada con la tensión efectiva normal superior que actúa sobre la superficie de contacto. σ está relacionado con el ángulo de fricción interna de la arena, es decir, =σtg. La resistencia al corte no drenado del suelo cohesivo puro solo muestra cohesión y no tiene nada que ver con la tensión normal, es decir =
El suelo general tiene cohesión y fricción, es decir = σtg. La suma en la fórmula no es una constante sino una variable, que no sólo está determinada por el estado básico del suelo, sino que también está relacionada con la tasa de carga externa, las condiciones de carga externa, la trayectoria de tensión, etc. Los poros del suelo saturado están llenos de agua.
Cuando se somete a cargas externas, lo que controla la resistencia del suelo no es la tensión total σ, sino la tensión efectiva σ′ (es decir, la diferencia μ entre la tensión total y la presión de poro): σ′=σ-μ.
Por lo tanto, bajo diferentes condiciones de prueba de resistencia, los indicadores de resistencia obtenidos son diferentes. Durante la prueba se obtiene el índice de resistencia total del suelo al no permitir que la muestra de suelo drene, si se permite el drenaje completo se puede obtener el índice de resistencia efectiva del suelo; Teóricamente, es más apropiado utilizar la tensión efectiva y el índice de resistencia efectiva para los cálculos de ingeniería. Sin embargo, es difícil distinguir correctamente la presión del agua de los poros en el suelo de ingeniería real, por lo que el principio de resistencia total y el índice de resistencia total todavía se utilizan en la producción.
Debido a sus condiciones de depósito, la resistencia del suelo también es anisotrópica. ¿tierra? ¿Propiedades reológicas? La deformación y estabilidad de las estructuras geotécnicas son funciones del tiempo. Algunos taludes artificiales colapsarán varios años o incluso décadas después de su finalización, y la presión del suelo detrás del muro de contención aumentará con el tiempo. Todo esto está relacionado con las propiedades reológicas del suelo.
Las características reológicas del suelo se manifiestan principalmente como: ① características de fluencia en las que la deformación aumenta con el tiempo bajo carga constante; (2) fenómeno de relajación de la tensión en el que la tensión disminuye gradualmente con el tiempo cuando la deformación permanece constante (3; ) El fenómeno de la pérdida gradual de fuerza con el tiempo es un problema de fuerza a largo plazo. Estos tres están interrelacionados. Cuando la carga que actúa sobre el suelo excede un cierto límite, la tasa de deformación del suelo cambiará de velocidad constante a aceleración, lo que provocará una falla por fluencia. Cuanto mayor es la tensión, mayor es la tasa de deformación y más corto es el tiempo de falla. La relación empírica entre la tasa de deformación y el tiempo de falla se puede determinar experimentalmente y usarse para predecir el tiempo de falla de los deslizamientos de tierra.
La carga última de falla por fluencia es menor que la resistencia a la falla del suelo en pruebas convencionales. De acuerdo con los requisitos de estabilidad a largo plazo, la resistencia del suelo debe ser menor que el valor de la prueba en interiores. Por supuesto, la razón por la cual la resistencia del suelo disminuye con el tiempo no se limita a los efectos de la fluencia. Cuando se construyen muros de contención u otras estructuras para evitar la deformación por fluencia del suelo, la presión del suelo que actúa sobre la estructura aumenta gradualmente con el tiempo.
Propiedades de compactación del suelo La compactación artificial del suelo puede aumentar la resistencia y reducir la compresibilidad y la permeabilidad. El grado de compactación del suelo está relacionado con la acción de compactación, el método de compactación y el contenido de humedad. Cuando el método y el efecto de compactación permanecen sin cambios, la densidad aparente seca del suelo aumenta con el aumento del contenido de agua. Después de alcanzar el valor máximo, la densidad aparente seca disminuirá gradualmente con el aumento del contenido de agua.
El contenido de humedad correspondiente a la máxima densidad aparente en seco se denomina contenido de humedad óptimo. Existe un cierto límite en el grado de compactación que se puede mejorar simplemente aumentando el número de compactaciones o laminados sin aumentar la función de compactación. Aumentar el número de veces de compactación o laminado más allá de este límite no tiene ningún efecto. Al rellenar un terraplén de tierra, la densidad aparente máxima seca se puede lograr utilizando la función mínima cerca del contenido de humedad óptimo. Por lo tanto, el contenido de humedad óptimo y la densidad aparente seca máxima del relleno deben determinarse mediante pruebas de compactación en interiores (consulte relleno de lecho de carretera). y compactación).
Sin embargo, el método de compactación también afecta el efecto de compactación. Para suelos no cohesivos, la compactación por vibración es más eficaz que la compactación con rodillo. Lo contrario ocurre con la arcilla. Estudiando las propiedades de compactación del suelo se puede seleccionar la maquinaria de compactación más adecuada. Para mejorar las propiedades de compactación del suelo, se puede rociar una pequeña cantidad de aditivos. ¿Ha sido popular en la antigua China? La cal viva mejora las propiedades de compactación del suelo.
Además, el control manual de la gradación de los rellenos también puede lograr el propósito de mejorar el rendimiento de la compactación. La relación tensión-deformación de la deformación del suelo y su resistencia son las propiedades de ingeniería más importantes del suelo. Antes de la década de 1960, los indicadores de deformación y resistencia del suelo generalmente se determinaban por separado en ingeniería, sin considerar la interacción entre resistencia y deformación. Dado que la relación tensión-deformación del suelo no es lineal y tiene características elástico-plásticas o incluso viscoelásticas-plásticas, no podía ser analizada por la tecnología informática en ese momento.
Con la popularización de las computadoras y el análisis numérico, ha sido posible incorporar la relación tensión-deformación del suelo en el análisis y cálculo de edificios geotécnicos. Las curvas de esfuerzo cortante y deformación axial de arcilla normalmente consolidada y arena suelta son hiperbólicas. El suelo se contrae en volumen durante todo el proceso de corte y tiene las características de endurecimiento por deformación. Las curvas tensión-deformación de arcillas sobreconsolidadas y arenas densas tienen un pico, y luego, cuando la deformación aumenta nuevamente, la resistencia del suelo disminuye, alcanzando eventualmente un valor estable.
Durante el proceso de cizallamiento, el volumen del suelo primero se comprime ligeramente y luego se expande continuamente, lo que se manifiesta como un ablandamiento por deformación.
Para utilizar ecuaciones matemáticas para describir las características de tensión y deformación de varios suelos, existen varios modelos elásticos no lineales, elástico-plásticos y viscoelásticos. Utilizando estos modelos y métodos de análisis numérico, podemos analizar algunas condiciones de contorno complejas y la deformación y estabilidad de suelos heterogéneos. Sin embargo, actualmente es difícil determinar correctamente los parámetros del suelo correspondientes a estos modelos, y también es difícil determinar el estado de tensión original del suelo, por lo que es difícil su uso generalizado en ingeniería. Propiedades dinámicas del suelo Las propiedades de deformación y resistencia del suelo bajo efectos dinámicos como explosiones de rocas, cimientos dinámicos o terremotos son significativamente diferentes de aquellas bajo cargas estáticas.
Las propiedades dinámicas del suelo se refieren principalmente al módulo, la amortiguación, la vibración, la compactación y la resistencia dinámica, que están relacionadas con el tamaño de la deformación. Aumento de la amplitud de la deformación (
El principal mecanismo de licuefacción es que la resistencia efectiva del suelo desaparece instantáneamente bajo la acción de la carga dinámica, lo que resulta en la inestabilidad de la estructura del suelo. En términos generales, la arena limosa suelta es la El suelo cohesivo generalmente no se licua. Las propiedades técnicas del loess generalmente se dividen en dos categorías: loess nuevo y loess viejo, y sus propiedades también lo son. significativamente diferentes (ver Carreteras en áreas de Loess).
Propiedades de ingeniería del suelo blando El suelo blando generalmente se refiere a suelo arcilloso saturado con alta compresibilidad y baja resistencia, que se encuentra principalmente en los ríos. , ríos, zonas costeras, lagos interiores, estanques y cuencas y depresiones montañosas lluviosas. Generalmente, la proporción de vacíos del suelo blando es superior a 1,0, el contenido de agua natural suele ser superior a su límite líquido y la resistencia al corte no drenado es muy alta. baja y la compresibilidad es muy alta. El método más simple es la precarga (ver método de precarga). El aumento de la resistencia del suelo blando depende de la desaparición de la presión de los poros, por lo que se deben instalar pozos de arena en los cimientos para acelerar el drenaje. de agua en suelo blando es uno de los métodos de refuerzo más utilizados.
Observar la desaparición de la presión del agua de los poros en la cimentación durante el proceso de refuerzo de precarga es un método eficaz para garantizar la seguridad y eficiencia de la construcción. , pilotes de grava (ver método de vibroinundación) y pilotes de cal viva también se pueden usar para reforzar cimientos de suelo blando. Propiedades Los minerales arcillosos (principalmente montmorillonita) en la arcilla se expandirán o contraerán cuando se expongan al agua o perderán agua, lo que provocará una expansión y contracción masiva de la deformación. todo el suelo, causando daños a los edificios (ver Fundación de suelo expansivo)
Las propiedades de ingeniería del permafrost son que en latitudes altas o altitudes elevadas, la temperatura es fría, el agua en el suelo está congelada durante todo el año, y el suelo congelado no se derrite durante más de tres años. La capa superior del suelo en las áreas de permafrost se alterna con las temperaturas estacionales, y la capa estacional de hielo y deshielo El límite inferior es el límite superior del permafrost, lo que tiene un gran impacto en la deformación y la estabilidad. de edificios (ver Cimientos de suelo congelado y construcción de carreteras en áreas de permafrost)
Para conocer las propiedades de ingeniería del suelo salino, consulte "Sal" "Construcción de carreteras en áreas de suelo". formado por la erosión de piedra caliza, dolomita y basalto en condiciones de clima cálido y húmedo tropical y subtropical. El mineral arcilloso es principalmente caolinita y tiene baja actividad. Tiene las características de alto volumen de agua, gran proporción de huecos, alto límite líquido e índice plástico. , pero tiene una fuerte resistencia al agua, baja compresibilidad y alta resistencia al corte, y puede usarse como relleno de presas de tierra.
Materiales de referencia:
Enlace web a propiedades de ingeniería de suelos
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