Consolidare

Consolidarea este un fenomen tipic mediilor poroase coezive saturate cu permeabilitate foarte mică supuse unei sarcini externe; constă în deformarea progresivă a mediului încărcat în timp, spre deosebire de toate celelalte materiale care sub o sarcină prezintă o deformare imediată.

Analogia vasului cu arcul pentru a explica consolidarea

Acest fenomen, care apare în principal în argile , se explică prin geotehnică referitoare la permeabilitatea foarte scăzută a acestor soluri. Pentru a simplifica înțelegerea acestui fenomen, este obișnuit să se facă o analogie a solului cu un recipient umplut cu apă (care reprezintă apa din sol) în care este adăpostit un izvor (care reprezintă faza solidă din eșantion) care este plasată o placă dotată cu o supapă (a cărei posibilitate de deschidere și închidere schematizează permeabilitatea redusă a mediului care se opune scurgerii de apă).

Presupunând boabele solide și apa incompresibilă (o ipoteză mai mult decât rezonabilă în intervalele normale de solicitare ), singura posibilitate pentru apariția deformațiilor volumetrice este ca apa să scape din sol, astfel încât volumul golurilor din sol să fie redus și în consecință volumul total. Cu toate acestea, datorită permeabilității reduse, apa este încetinită de încercarea sa de a scăpa din specimen, astfel încât chiar în prima fază de aplicare a sarcinii stresul este în întregime susținut de apă sub formă de suprapresiune ; în schematizarea recipientului cu arc, această fază este idealizată imaginându-se supapa închisă și, prin urmare, datorită aplicării sarcinii, există o creștere a presiunii în apă, dar arcul nu primește nicio forță și, prin urmare, nu nu suferă scurtări, precum și scheletul solid nu primește supraîncărcări și nu se deformează volumetic.

Cu timpul, totuși, apa din pământ care încă se mișcă pentru a scăpa chiar dacă este cu viteză foarte mică, va ieși treptat din specimen, disipând încet suprapresiunea inițială. În această fază, scheletul solid începe să se deformeze, deoarece partea de sarcină care nu mai este susținută de apă merge să încarce partea solidă a solului, care, prin urmare, se deformează. În analogia cu arcul, această fază poate fi interpretată ca momentul în care se deschide supapa, prin care apa inițial presurizată începe să scape și arcul începe să fie încărcat și, prin urmare, deformat de sarcina externă.

La sfârșitul procesului, toată suprapresiunea generată inițial în apă se disipează în detrimentul părții solide, care își încheie procesul de deformare (în mod natural dacă luăm în considerare creșterea constantă a sarcinii), o condiție care corespunde echilibrului . În diagrama schematică, această fază finală poate fi interpretată ca momentul în care apa a scăpat din supapă, generând o situație de presiune în interiorul acesteia în echilibru cu situația înconjurătoare.

Teoria consolidării unidimensionale

Teoria consolidării unidimensionale, dezvoltată de Karl von Terzaghi în anii 1920 , ne permite să cuantificăm subsidența solului în urma aplicării unei sarcini (de exemplu, o structură suprapusă) și timpul necesar pentru ca aceasta să se producă.

Această teorie pleacă de la ipoteza că fluxul de apă și deplasările solului au loc în singura direcție verticală (situație edometrică , relativ la o sarcină distribuită uniform pe întregul plan de graniță), că mediul este saturat , că în tensiune intervalul având în vedere permeabilitatea rămâne constantă și mediul este elastic linear exprimat prin relația constitutivă:

$\Delta \epsilon _{z}z=m_{v}\Delta \sigma '_{z}z$ ${\ displaystyle \ Delta \ epsilon _ {z} z = m_ {v} \ Delta \ sigma '_ {z} z}$ ${\ displaystyle \ Delta \ epsilon _ {z} z = m_ {v} \ Delta \ sigma '_ {z} z}$

precum și bineînțeles luând în considerare fazele incompresibile (faza lichidă și faza solidă) și deformările infinitezimale .

Sub aceste ipoteze, este posibil să găsim așa-numita ecuație de consolidare unidimensională :

${\frac {\partial u\;}{\partial t\;}}=c_{v}\cdot {\frac {\partial ^{2}\;u}{\partial z\;^{2}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {\ partial u \;} {\ partial t \;}} = c_ {v} \ cdot {\ frac {\ partial ^ {2} \; u} {\ partial z \; ^ { 2}}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {\ partial u \;} {\ partial t \;}} = c_ {v} \ cdot {\ frac {\ partial ^ {2} \; u} {\ partial z \; ^ { 2}}}}$

unde este $tu$ ${\ displaystyle u}$ $tu$ reprezintă suprapresiunea generată în apă e $c_{v}$ ${\ displaystyle c_ {v}}$ $CV}$ se numește coeficient de consolidare și se exprimă prin formula:

$c_{v}={\frac {K}{m_{v}g\rho _{w}}}$ ${\ displaystyle c_ {v} = {\ frac {K} {m_ {v} g \ rho _ {w}}}}$ ${\ displaystyle c_ {v} = {\ frac {K} {m_ {v} g \ rho _ {w}}}}$

unde este:

$K.$ ${\ displaystyle K}$ $K.$ reprezintă permeabilitatea;
$m_{v}$ ${\ displaystyle m_ {v}}$ $m_v$ este modulul de compresibilitate ;
$g$ ${\ displaystyle g}$ $g$ și accelerația gravitației ;
$\rho _{w}$ ${\ displaystyle \ rho _ {w}}$ ${\ displaystyle \ rho _ {w}}$ este densitatea apei.

Rezolvând ecuația consolidării unidimensionale este posibil să se prezică eșecul și timpul necesar pentru ca aceasta să apară complet. Există situații în care s-a găsit deja o soluție, cum ar fi în cazul suprapresiunii uniforme de-a lungul solului considerat (situație de exemplu a unei structuri care încarcă solul), cu un banc de argilă delimitat deasupra și dedesubt de soluri foarte permeabile ( nisipuri sau nămoluri). În acest caz, banca de lut se poate scurge de pe ambele fețe, iar soluția poate fi găsită cu ușurință, referindu-se la grafice care se referă:

gradul mediu de consolidare ( $U={\frac {s(t)}{s}}$ ${\ displaystyle U = {\ frac {s (t)} {s}}}$ ${\ displaystyle U = {\ frac {s (t)} {s}}}$ cu eșec total s și eșec s (t) la momentul generic t );
factorul de adâncime ( $Z={\frac {z}{H}}$ ${\ displaystyle Z = {\ frac {z} {H}}}$ ${\ displaystyle Z = {\ frac {z} {H}}}$ cu adâncimea z luată în considerare și H traiectoria maximă pe care trebuie să o parcurgă apa pentru a părăsi solul);
factorul de timp ( $T_{v}={\frac {c_{v}t}{H^{2}}}$ ${\ displaystyle T_ {v} = {\ frac {c_ {v} t} {H ^ {2}}}}$ ${\ displaystyle T_ {v} = {\ frac {c_ {v} t} {H ^ {2}}}}$ ).

Elemente conexe

Presiunea de consolidare

linkuri externe

( EN ) Consolidation , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica