RAKENNUS- JA YHDYSKUNTATEKNIIKAN OSASTO
VESA LAINPELTO
MAAN LUJUUS PARAMETRIEN MÄÄRITTÄMINEN KIERTOTIIVISTIMELLÄ
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten.
Espoossa 30.11.1998
TYÖN VALVOJA: PROFESSORI P. VEPSÄLÄINEN TYÖN OHJAAJA: DI E. NORDENS WAN
TEKE"’ f IMEN KOr.XE' KO'J’JJ
Rakennus- ja ■ ■ -n
osr.-lun kirj_.to
Teknillinen Korkeakoulu Diplomityön tiivistelmä
Rakennus-ja yhdyskuntatekniikan osasto Tekijä:
Diplomityö:
Vesa Lainpelto
Maan lujuusparametrien määrittäminen kiertotiivistimellä
Päivämäärä: 30.11.1998 Sivumäärä: 83
Professuuri: Pohjarakennus-ja maamekaniikka
Liitteet: 22 s.
Koodi: Rak-50 Valvoja:
Ohjaaja:
Professori P. Vepsäläinen
DI Erik Nordenswan, Åbo Akademi/Addtek Research & Development Oy Ab
Tässä työssä on selvitetty ICT-kiertotiivistyslaitteen soveltuvuutta hiekan kitkakulman määrittämiseen. Lisäksi tutkittiin vesipitoisuuden vaikutusta hiekan kitkakulmaan.
Tutkittavia hiekkoja oli kaksi, Ojakkalan hiekka ja Porin hiekka. Hiekkoja tutkittiin ICT-laitteen lisäksi rasialeikkauskokeella, kolmiakselikokeella sekä suoralla leikkauskojeella. Tiivistämisprosessia myöskin mallinnettiin elementtilaskenta- ohjelmalla. Rasialeikkauskokeissa sekä ICT-laitteella tehdyissä kokeissa käytettiin neljää eri vesipitoisuuden arvoa jotka vaihtelivat nollan ja 6 % välillä. Molemmilla laitteilla kokeet suoritettiin 40, 80 ja 160 kPa:n normaalijännityksillä. Kummallekin hiekalle valittiin yksi kuivairtotiheyden arvo jossa kokeet suoritettiin.
Maan sisäisen kitkakulman suuruus riippuu tiiviydestä, raekoosta, raemuodosta, suhteistuneisuudesta, vesipitoisuudesta, käytetystä koetyypistä ja kuormituksen suuruudesta. Tämä huomattiin myös tässä työssä tehdyissä kokeissa. Ojakkalan hiekalle tehtyjen rasialeikkauskokeiden perusteella havaittiin maan sisäisen kitkakulman olevan suurimmillaan optimivesipitoisuudessa.
ICT-laitteella tehdyistä kokeista tulokseksi saatu kitkakulma ei suuruudeltaan vastannut rasialeikkauskokeiden perusteella määritettyä kitkakulmaa. Tiivistymisprosessin aikana tapahtuva leikkausmuodonmuutos ei vastaa rasialeikkauskokeessa tapahtuvaa leikkautumista. Tästä johtuen ICT-laitteessa muodonmuutosta vastustava leikkausjännitys ei ole yhtä suuri kuin rasialeikauskokeessa syntyvä leikkausjännitys, näin ollen myös kitkakulma jää alhaisemmaksi.
Jatkotutkimuksia hyödyttäviä havaintoja olivat: Kitkakulma kasvaa lineaarisesti tiheyden funktiona, suoralla leikkauskokeella saadaan samaa suuruusluokkaa olevia leikkausjännityksiä kuin ICT-laitteella, elementtilaskentaohjelmalla voidaan mallintaa tiivistämisprosessia.
Helsinki University of Technology Abstract of the masters thesis
Department of Civil and Environmental Engineering Author: Vesa Lainpelto
Name of the thesis:
The defining of the strength parameters of the soil with gyratory compactor
Date:
Professorship:
30.11.1998
Soil Mechanics and Foundation Engineering
Number of the pages: 83
Appendix pages:22 Code: Rak-50 Supervisor:
Instructor:
Professor P. Vepsäläinen
M.Sc. Erik Nordenswan, Åbo Akademi/Addtek Research &
Development Oy Ab
The aim of this study was to clarify the applicability of the ICT - Gyratory compactor to define the friction angle of the sand. The influence of the water content on the friction angle of the sand was also examined.
Two different sands were examined, the Ojakkala sand and the Pori sand. Both sands were examined by the ICT-Gyratory compactor, as well as by direct shear tests, tri axial tests and direct simple shear tests. The compaction process was also simulated by computer. The simulations have been carried out using the Finite Element Method. In the tests which were made using the direct shear test and the ICT-Gyratory compactor, four different water contents were used. The values of the water content varied between 0 % and 6 %. The tests were made using normal stresses 40, 80 and 160 kPa. For both sands, one value of dry density was chosen were the test were carried out.
The value of the friction angle of the soil depends on the void ratio, the grain size, the grain shape, the coefficent of uniformity, the water content, the test method and the load rate. This was also noticed in the tests which were carried out in this study. Based on the direct shear tests which were made with the Ojakkala sand, the friction angle of the soil has the greatest value in the optimum water content stage.
The friction angles results from the tests made with the ICT-Gyratory compactor didn't match with the friction angles results from the direct shear tests. The shear strain which occurs during the compaction process isn't comparable with shearing which occurs in the direct shear test. That is the reason why the shear stress which resists the deformation in the ICT-Gyratory compactor isn't as big as the shear stress which occurs in the direct shear test, thus the friction angle remains lower.
The following observations were made and are a basis for further studies: The friction angle grows linearly in the ICT-Gyratory compactor in a function of the density, with the direct simple shear test, it is possible to have the shear stress values which are comparable with the shear stresses from the ICT-Gyratory compactor, it is possible to simulate the compaction process with a computer program.
ALKULAUSE
Tämä diplomityö on tehty Teknillisen korkeakoulun Pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratoriossa professori P. Vepsäläisen valvonnassa. Työn toimeksiantajana oli Invelop Oy.
Kiitän professori P. Vepsäläistä työni valvonnasta sekä saamistani neuvoista.
Kiitän myös ohjaajaani E. Nordenswania Åbo Akademi/Addtek Research &
Development Oy:stä, Ilmari Paakkista Invelop Oy:stä, Reijo Lindgreniä CSC - Tieteellinen laskenta Oy:stä sekä pohjarakennuslaboratorion henkilökuntaa, erityisesti laboratorioteknikko K. Sjöblomia.
Invelop Oy:tä kiitän työni taloudellisesta tuesta.
Lisäksi kiitän kaikkia ystäviäni jotka ovat tukeneet ja kannustaneet työni tekemisessä.
Espoossa marraskuun 30. päivänä 1998
Vesa Lainpelto
MERKINNÄT
A Cu Dr Edso Fx K K M N R T V Vs Vv w a c c’
cc c’f d dm dso döo e
Cf
f h m mw ms n n q r/h s uw
pinta-ala, m2 raekokosuhde, (-) suhteellinen tiiviys, (-)
muodonmuutosmoduuli, MPa x-akselin suuntainen voima, N Hvorslevin parametri
suhdeluku Mohr-Coulombin ja Drucker-Prager materiaalimallien yhteensovittamisessa, (-)
momentti, Nm normaalivoima, N Cap-parametri, (-) kitkavoima, N
koko näytteen tilavuus, m3 kiinteän aineksen tilavuus, m3 huokosten tilavuus, nr
tiivistysenergia, J vaakasiirtymä, (%) koheesio, kPa
tehokas koheesio, kPa Hvorslevin koheesio, kPa
tehokas koheesio murtotilassa, kPa Hvorslevin parametri
modifioidun Drucker-Prager/Cap-murtopinnan leikkauskohta q-akselilla, kPa
seulakoko, jonka 10% rakeista läpäisee, mm keskimääräinen raekoko, mm
seulakoko, jonka 60% rakeista läpäisee, mm huokosluku, (-)
huokosluku murtohetkellä, (-) verrannollisuus kerroin, (-) näytteen korkeus, mm koko näytteen massa, (t) veden massa, (t)
kiinteän aineksen massa, (t) huokoisuus, (-)
työkierrosten määrä, kpl suurin pääjännitysero, kPa poikkeutuskulma, rad leikkauslujuus, kPa huokosvedenpaine, kPa nopeus, mm/s
Ax a
P P
si S3
SvP -plS vol|0
<t>
f
<j>e Y
M- Pe v v P Pd Ps a
ct’
öe
(j’f
CTn aoct
Ox,y,z
aE°
01,2,3
X Tf
^x,y,z
Tn S 0
#
mitattu vaakasiirtymä, mm Cap-parametri, (-)
Hvorslevin parametri Drucker-Prager parametri, 0
suhteellinen tilavuuden muutos pystysuunnassa, (-) suhteellinen tilavuuden muutos vaakasuunnassa, (-) plastinen tilavuuden muutos, (%)
plastinen tilavuudenmuutos alussa, (-) kitkakulma,0
tehokas kitkakulma,0 Hvorslevin kitkakulma,0
leikkausmuodonmuutos kolmiakselikokeessa, (-) kitkakerroin, (-)
Hvorslevin kitkakerroin, (-)
materiaalien välinen kitkakerroin, (-) Poissonin luku, (-)
irtotiheys, t/mJ kuivatiheys, t/m'>
kiintotiheys, t/m3 normaalijännitys, kPa
tehokas normaalijännitys, kPa ekvivalentti]ännitys, kPa
tehokas normaalijännitys murtotilassa, kPa normaalijännitys, kPa
hydrostaattinen jännitys, kPa
alkuhetkellä vaikuttavat puristusjännitykset, kPa myötöjännitys, kPa
pääjännitykset, kPa leikkausjännitys, kPa
leikkausjännitys murtotilassa, kPa
alkuhetkellä vaikuttavat leikkausjännitykset, kPa pintakitkan aiheuttama leikkausjännitys, kPa summa
kahden suoran välinen kulma rakeen halkaisija, mm
alaindeksit
max suurin arvo kyseessä olevalle parametrille min pienin arvo kyseessä olevalle parametrille res residuaaliarvo kyseessä olevalle parametrille
SISÄLLYSLUETTELO
TIIVISTELMÄ 2
ABSTRACT 3
ALKULAUSE 4
MERKINNÄT 5
1. JOHDANTO 9
2. MAAN SISÄINEN KITKA 10
2.1 Kitka 10
2.2 Maan sisäinen kitka 11
2.2.1 Leikkauslujuuden koostumus 11
2.2.2 Kitkakulmat 12
2.2.3 Kitkan ominaisuuksia 12
2.3 Kitkamaan murtuminen 13
2.3.1 Murtokriteerit 13
2.3.2 Coulombin murtokriteeri 13
2.3.3 Mohrin murtokriteeri 14
2.3.4 Mohr-Coulombin murtokriteeri 17
2.3.5 Hvorslevin murtokriteeri 18
3 TIIVISTYMINEN 19
3.1 Tiivistymisen periaate 19
3.2 Tiivistyksen tunnuslukuja 21
3.2.1 Kiintotiheys 21
3.2.2 Vesipitoisuus 22
3.2.3 Huokoisuus ja huokosluku 23
4 TARKASTELTAVAT MATERIAALIT 25
4.1 Yleistä 25
4.2 Ojakkalan hiekka 25
4.3 Porin hiekka 27
5 IC-KIERTOTIIVISTYSLAITE JA SEN TOIMINTA 29
5.1 Yleistä 29
5.2 Laitteisto 29
5.3 Toimintaperiaate ja kokeen suoritus 29
5.3.1 Tiivistyminen ICT-laitteessa 29
5.3.2 Tiivistymisenergia ja tiivistyspaine 31
5.3.3 Kokeen suoritus 33
6 LABORATORIOKOKEET 35
6.1 Kokeiden suoritus 35
6.1.1 Rasialeikkauskokeet 35
6.1.2 Kolmiakselikokeet 37
6.1.3 ICT-kokeet 39
6.1.4 Suorat leikkauskokeet 40
6.2 Tulokset 43
6.2.1 Rasialeikkauskokeet 43
6.2.2 Kolmiakselikokeet 44
6.2.3 ICT-kokeet 45
6.2.4 Suorat leikkauskokeet 48
7 TULOSTEN ANALYSOINTI 52
7.1 Koemenetelmien vaikutus kitkakulman suuruuteen 52 7.2 Vesipitoisuuden vaikutus kitkakulmaan ja koheesioon 54 7.3 Kitkakulman määritys ICT-laitteella 57
7.4 Laskennat elementtimenetelmällä 63
7.4.1 Käytetty ohjelma 63
7.4.2 Malli 64
7.4.3 Laskennat 66
7.4.3.1 Modifioitu Drucker-Prager-malli 66 7.4.3.2 Modifioitu Drucker-Prager/Cap-malli 69
7.5 Johtopäätöksiä 78
8. YHTEENVETO 80
KIRJALLISUUSLUETTELO 81
LIITTEET
1 JOHDANTO
Maanvaraisia rakenteita suunniteltaessa tulee olla selvillä kyseessä olevan maan tärkeimmät lujuusparametrit - koheesio ja sisäinen kitkakulma. Näistä kahdesta parametrista koostuu maan leikkauslujuus. Tässä työssä tutkittiin mahdollisuuksia selvittää Intensive Compaction Testing-laitteella maan lujuusparametreja. Tutkittavia materiaaleja oli kaksi, Ojakkalan hiekka ja Porin hiekka. Kyseiset aineet ovat karkearakeisia maalajeja, joten niiden leikkausvastus muodostuu pääosin sisäisestä kitkakulmasta. Karkearakeisten maalajien kitkakulma on ollut tapana määrittää joko kolmiakselikokeella tai rasialeikkauskokeella. Koimiakselikokeella saadaan tarkkoja tuloksia, mutta koejärjestelmä on työläs ja aikaa vievä. Rasialeikkauskoe on nopeampi suorittaa, mutta näytteen käyttäytymistä kokeen aikana ei voida seurata yhtä tarkasti kuin kolmiakselikokeissa.
Jotta saatiin vertailupohjaa ICT-laitteella tehdyille kokeille, tutkittiin edellä mainittuja hiekkoja ICT-laitteen lisäksi rasialeikkauskokeella, kolmiakselikokeella ja suoralla leikkauskokeella. Tässä työssä tehtyjen kokeiden lisäksi käytössä oli aiemmissa tutkimuksissa tehtyjen kokeiden tulokset. Pääasiassa keskityttiin rasialeikkauskokeen ja ICT-laitteen vertailuun. Näillä molemmilla laitteilla tutkittiin hiekkoja neljällä eri vesipitoisuudella sekä kolmella eri normaalij äänityksen arvolla. Käytetyt vesipitoisuudet vaihtelivat nollasta kuuteen prosenttiin. Normaalijännityksen suuruus oli 40 ja 160 kPa välillä.
Maan sisäisen kitkan suuruus on monen osatekijän summa. Teoriaosassa on kerrottu tärkeimmät sisäisen kitkakulman arvoon vaikuttavat asiat. Koemenetelmien väliset erot kitkakulman suuruudessa setvisivät kun kokeita tehtiin samalla materiaalilla ja samassa tilassa olevilla näytteillä. ICT-laitteessa tiivistyminen tapahtuu leikkaustiivistys periaatteella ja koetuloksena saadaan tietyssä tiiviydessä muodonmuutosta vastustava leikkausjännitys. Kolmiakselikokeessa ja rasialeikkauskokeessa kitkakulma määritetään myös leikkausjännityksen avulla. Näistä lähtökohdista lähdettiin tutkimaan ICT-laitteen soveltuvuutta hiekan lujuusparametrien määritykseen.
2 MAAN SISÄINEN KITKA
2.1 Kitka
Kitka on kahden kappaleen tai partikkelin kosketuspinnassa vaikuttava pinnan suuntainen voima, joka pyrkii estämään kappaleiden keskinäistä siirtymistä. Kitka ilmenee kosketuspintojen keskinäisen liikkeen hidastumisena tai. jos liike on pysyvän ulkoisen voiman aiheuttama, se ilmenee ulkoiselle voimalle vastakkaissuuntaisena voimana, joka on tasaisessa liikkeessä ulkoisen voiman kanssa yhtä suuri.
Puhutaan erikseen pintakitkasta ja sisäisestä kitkasta. Sisäisellä kitkalla tarkoitetaan materiaalin (esim. maa ja nesteet) sisäistä liikettä vastustavaa voimaa. Kahden kappaleen rajapinnassa vaikuttavaa kitkavoimaa kutsutaan pintakitkaksi ja se on perinteisesti määritelty seuraavilla ns. Amontosin laeilla (kuva 2.1) [Nätti 1991],
Kuva 2.1 Kitkaparametrien f ja (f> määrittely [Nätti 1991 ].
1. Kitkavoima (T) on suoraan verrannollinen kappaleiden kosketuspinnassa vaikuttavaan normaalivoimaan (N).
2. Kitkavoima on riippumaton kappaleiden kosketuspinnan suuruudesta.
Ensimmäinen laki voidaan lausua kaavan (2.1) muodossa.
T = f * N, (2.1)
jossa verrannollisuuskerroin f on ns. kitkakerroin. Kitkakerroin voidaan ilmaista myös lausekkeella tan<f>, jossa <{> tarkoittaa suurinta kitkakulmaa, jonka ulkoisen voiman (tai kitkavoiman) ja normaalivoiman resultantti voi muodostaa normaalivoiman kanssa.
Toisen lain mukaan kitkavoima on esimerkiksi kuvan (2.2) särmiöllä sama riippumatta siitä, mikä taho on pintaa vasten.
N N
z V?
> /
T ' /
Kuva 2.2 Kitkavoimat ovat yhtäsuuria kosketuspinnan alasta riippumatta [Nätti 1991].
2.2 Maan sisäinen kitka
2.2.1 Leikkauslujuuden koostumus
Maakerrostuman leikkauslujuus määrää maapohjan kantavuuden, maanpaineen suuruuden, maaluiskien vakavuuden jne. Jos maapohjaa kuormitetaan niin raskaalla rakenteella, että kuormituksesta aiheutuvat leikkausjännitykset ylittävät maan leikkauslujuuden, silloin maapohja murtuu ja rakenteen perustukset painuvat maan sisään tai liukuvat sivulle päin määrättyä liukupintaa pitkin. Yleensä oletetaan, että maan leikkauslujuus on kokoonpantu kahdesta eri osasta, sekä sisäisestä kitkasta, joka aiheutuu rakeiden välisestä hankauksesta, että koheesiosta [Helenelund 1979]. Maan sisäiselle kitkalle on Terzaghi esittänyt ns. kitkan adheesioteorian, jonka mukaan kitkan aiheuttaa maapartikkelien kosketuskohdissa vaikuttavat adheesiovoimat.
Maapartikkelien kosketuskohdan ala riippuu teorian mukaan kuormituksesta ja partikkelien kimmoisista tai plastisista ominaisuuksista. Tätä teoriaa ei kuitenkaan voida soveltaa rakeisille materiaaleille , koska partikkelien koon kasvaessa adheesiosidoksia muodostavien kosketuskohtien lukumäärä vähenee. Adheesiovoimien syntymisen
edellytyksenä on pieni etäisyys (suuruusluokkaa molekyylin läpimitta) materiaalien välillä ja kiinteillä aineilla, epätasaisuudet estävät yhtenäisen kontaktin muodostumisen.
Adheesion ollessa merkityksetön voidaan sisäisen kitkan ajatella johtuvan mekaanisen lukkiutumisen aiheuttamasta siirtymispyrkimysten osittaisesta estymisestä [Nätti 1991],
2.2.2 Kitkakulmat
Karkearakeisten maalajien kykyä vastustaa leikkausmuodonmuutoksia arvioidaan kullekin maalajille ominaisen kitkakulman avulla. Useimmiten kitkakulmalla tarkoitetaan ns. huippukitkakulmaa joka saadaan suurimman kokeen aikana esiintyvän leikkausvastuksen arvon avulla. Kitkakulmaa voidaan havainnollistaa ajattelemalla kitkakulma kulmaksi jonka ulkoisen voiman ja normaalivoiman resultantti muodostaa normaalivoiman kanssa (kuva 2.1). Kokeessa näytteen murtumisen jälkeen leikkausvastus asettuu tietyn suuruiseksi ja tämän jäännöslujuuden avulla saadaan selville jäännös- eli residuaalikitkakulma.
2.2.3 Kitkan ominaisuuksia
Maan kitkakulma ei ole ainevakio, vaan saattaa samalla materiaalilla riippua useasta eri tekijästä. Monien tutkimuksien perusteella on selvitetty eri osatekijöiden vaikutusta kitkakulman suuruuteen. Kokeista saatavan kitkakulman on todettu riippuvan mm.
tiiviydestä, raekoosta, raemuodosta, suhteistuneisuudesta , vesipitoisuudesta, käytetystä koetyypistä ja kuormituksen suuruudesta. S. Jänke on tutkinut rakeiden särmikkyyden, tehokkaan raekoon, suhteistuneisuuden ja alkuhuokosluvun vaikutusta kitkakulmaan.
Tutkimuksen mukaan kitkakulma suurenee särmikkyyden lisääntyessä, tehokkaan raekoon, raekokosuhteen ja huokosluvun pienentyessä [Nätti 1991],
2.3 Kitkamaan murtuminen
2.3.1 Murtokriteerit
Kuten edellä on mainittu kitkamaan leikkauslujuuteen vaikuttavat useat eri tekijät.
Kuitenkin ennen kuin on päästy käsiksi kitkaan vaikuttaviin yksittäisiin tekijöihin on täytynyt kehittää teorioita jotka kuvaavat maan murtumista. Maamekaniikassa sovelletaan yleisesti Mohr-Coulombin murtokriteeriä, kuitenkin voimakkaasti ylikonsolidoituneessa maassa voidaan käyttää Hvorslevin murtokriteeriä. Mohr- Coulombin murtokriteeri on yhdistelmä Mohrin ja Coulombin erikseen kehittämistä teorioista.
2.3.2 Coulombin murtokriteeri
Coulomb esitti n. vuonna 1773 maan leikkauslujuuden muodostuvan kaavan 2.2 avulla [Bowles 1984],
s = c + V(T (2.2)
jossa s on leikkauslujuus c koheesio
a normaalijännitys
v kyseessä olevien materiaalien välinen kitkakerroin
Maassa tapahtuvat muutokset kokonaisjännityksessä sekä huokosvedenpaineessa johtavat tilavuudessa ja leikkauslujuudessa tapahtuviin muodonmuutoksiin.
Tarkasteltaessa maan vakavuutta ja tiivistyvyyttä täytyy määrittää tehokas jännitys mikä vaikuttaa tilavuudessa ja leikkauslujuudessa tapahtuviin muutoksiin. Tehokas jännitys riippuu kokonaisjännityksestä sekä huokosilman ja huokosveden paineesta. Terzaghi on osoittanut, että kyllästyneille maille pätee yhtälö 2.3 [Scott 1980],
o"' =(7-uw (2.3)
jossa a’ on tehokas normaalijännitys huokosvedenpaine
Kitkakertoimen asemasta on totuttu käyttämään termiä tantj) ja mikäli kokonaisjännitys korvataan tehokkaalla jännityksellä, kaava (2.2) saa muodon:
s = c'+cr' tan <j>' (2.4)
jossa <j>’ on maan tehokas kitkakulma c’ tehokas koheesio
Murtokriteerin mukaan leikkauslujuus kasvaa suoraviivaisesti normaali)ännityksen kasvaessa. Jotta yhtälön avulla saadaan maan sisäinen kitkakulma selville, on normaalijännitystä vastaava murtotaso tiedettävä tarkasti. Coulombin murtokriteerillä maan lujuusparametrejä selvitettäessä tulee koe suorittaa vähintään kolmella eri normaali)äänityksen arvolla.
2.3.3 Mohrin murtokriteeri
Generoi subscripting:
rx , yiz 5 sheor stress or shear strain on normal to x axis and directed to 2 axis.
Tyx 8 shear stress on normal to y axis and directed to x axis.
crx , €x * normal stress or strain parallel to x axis.
Kuva 2.3 Maapartikkeliin vaikuttavat jännitykset ja muodonmuutokset [Bowles 1984],
Kuva 2.3 esittää kuusisärmäiseen maapartikkeliin vaikuttavat voimat. Laskuteknillisesti on ollut mukavaa olettaa yksi kuvassa 2.3 esiintyvistä vaakasuuntaisista voimista nollaksi. Jäljelle jäävää kaksiulotteista tilaa kutsutaan joko tasojännitystilaksi tai
tasomuodonmuutostilaksi. Tasojännitystilassa tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa vaikuttavat jännitykset oletetaan nolliksi muodonmuutosten ollessa sallittuja.
Vastaavasti tasomuodonmuutosti lassa tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa tapahtuvat muodonmuutokset oletetaan nolliksi jännitysten ollessa sallittuja. Pääjännityksistä on tapana poistaa a2, jättäen jännitykset a, ja a3 tarkastelun kohteeksi. Useimmissa maamekaniikan ongelmissa kaksiulotteinen jännitys- tai muodonmuutostila on riittävä [Bowles 1984],
tr n AB sin 6
Kuva 2.4 Tasoj ännity stila,jossa on esitetty pääjännitykset [Bowles 1984].
Kuva 2.4 esittää kaksiulotteista jännitystilaa jossa pääjännitykset a, ja 03 vaikuttavat päätasoille (partikkelin sivuille). Yhtälailla voitaisiin valita jännitykset a, ja a2 tai o2 ja
cj3 (kuitenkin useimmiten suurin ja pienin pääjännitys valitaan siten kuin tässä).
Päätasoista valitaan kaksi yksityiskohtaiseen tarkasteluun (AC ja BC). Oletetaan, että taso AB on 1 yksikkö kertaa 1 yksikkö kohtisuoraan kuvassa esiintyvää tasoa vastaan, jolloin alaksi saadaan 1 yksikkö. Tästä olettamuksesta seuraa:
BC - ABcosO AC - AB sin <9
Laskemalla yhteen X-akselin suuntaiset voimat, saadaan (ZFx=0)
cr3 (AB sin 0) + t(AB cos 6) - <jn (AB sin 0) = 0 (2.5)
Laskemalla yhteen Y-akselin suuntaiset voimat, saadaan
(T, {AB cos 0) - t(AB sin 9) - cr„ {AB cos 9) = 0 (2.6)
Poistamalla AB yhtälöistä 2.5 ja 2.6, saadaan
cr3 sin5 + rcos5 - cr„ sin5 = 0 (2.7)
c, cos 9 — tsin 9 — on cos 9 = 0 (2.8)
Yhtälöissä (2.7 ja 2.8) esiintyy jännitykset a, ja a3 sekä kaksi tuntematonta arvoa, leikkauslujuus x ja normaalijännitys ct„. Hyödyntämällä seuraavia trigonometrisia lausekkeita
cos2 9-1- sin2 9 saadaan
sin" 9 = — (1- cos25) sin 5 cos 5 = — sin 25 2
o".. = o-, +cr3
———cos 25 (2.9)
r = o) —— 2 sin 5
2 (2.10)
Yhtälöt 2.9 ja 2.10 ovat parametrisiä jännitysympyrän yhtälöitä XY-tasossa, jotka tunnetaan paremmin Mohrin ympyröinä. Otto Mohria on kiittäminen tämän ympyrän keksimisestä, jolla saadaan selville jännitykset halutussa pisteessä graafisin keinoin [Bowles 1984], Mohrin murtokriteerissä oletetaan että murtotilassa pääjännitysten välinen riippuvuus on muotoa
°"i -0-3 = /0, +cr3) (2.11)
Mohrin murtokriteeriä esittää kokeista saatujen Mohrin ympyröiden yhteinen verhokäyrä (kuva 2.5) [Nätti 1991],
Åjvva 2. J Mohrin murtokriteeri.
2.3.4 Mohr-Coulombin murtokriteeri
Leikkausjännityksiä laskettaessa on tapana käyttää tehokkaita jännityksiä ja leikkauslujuudesta merkintää t. Mohrin esittämä murtokriteeri rajatulla jännitysalueella voidaan kuvata yhtälöllä
r/=/(cr') (2.12)
Tämä osoittaa, että murtoleikkauslujuus on murtopinnalla vaikuttavan normaalijännityksen funktio. Yksi sellainen lauseke on tietenkin
Tj = cr'tan^' (2.13)
Tämän perusteella voidaan päätellä, että yhtälö 2.11 on erikoistapaus Coulombin murtokriteerissä esiintyvässä yhtälöstä 2.2. Tästä saadaan Mohr-Coulombin murtokriteeri
Tf =cf + aj tan^' (2.14)
Yhtälöissä 2.12 - 2.14 alaindeksinä esiintyvä f kuvaa murtotilaa. Useimmiten leikkauslujuuden suuruus määritetään juuri murtotilassa, joten Mohr-Coulombin murtokriteeriä kirjoitettaessa on tapana jättää alaindeksit pois. Näin ollen Mohr- Coulombin murtokriteerinä käytetään yhtälöä 2.3 [Bowles 1984] (s on korvattu i:lla).
ICT-laitteella tehdyissä kokeissa leikkauslujuuteen vaikuttaa myöskin huokosvedenpaine. Koska huokosvedenpainetta ei tiedetä tarkasti ilmoitetaan leikkauslujuudet kokonaisjännityksinä.
2.3.5 Hvorslevin murtokriteeri
Voimakkaasti ylikonsolidoitunut maakerros murtuu kuten hauras materiaali, ja ennen murtoa ei esiinny merkittäviä plastisia muodonmuutoksia. Hvorslevin murtokriteerissä (kaavat 2.15-2.17) on koheesiotermi esitetty huokosluvun (tai vesipitoisuuden) funktiona eikä vakioarvona niin kuin Mohr-Coulombin murtokriteerissä. Hvorslev käyttää parametreille <f>e ja ce nimityksiä tehokas kitkakulma ja tehokas koheesio.
Nimitykset eivät vastaa klassisessa maamekaniikassa yleisesti käytettyjä nimityksiä, ja sen vuoksi tässä yhteydessä käytetään nimityksiä ”Hvorslevin parametrit" [Laaksonen
& Lojander 1990],
= cr/.'tan^(, + ce (2.15)
= crf'fi' + <rtK (2.16)
= <7{j tan (j.,+c;e~/k/ (2.17)
jossa xf on leikkauslujuus
af murtohetkellä murtopintaan kohdistuva tehokas normaalijännitys ef huokosluku murtohetkellä
<(>e Hvorslevin kitkakulma ce Hvorslevin koheesio ae ekvivalenttijännitys cz,K,p Hvorslevin parametreja
3 TIIVISTYMINEN
3.1 Tiivistymisen periaate
Tiivistyksellä tarkoitetaan maa-aineksen tilavuuden pienentämistä joko dynaamisella kuormituksella tai mekaanisin menetelmin. Tilavuus pienenee kun raerakenne järjestyy uudelleen tai maa-aineksen sisältämä huokostilavuus pienenee [Turunen 1990], Proctor on määritellyt neljä tiivistymiseen vaikuttavaa osatekijää [Bowles 1984]:
1. Tiivistämiseen käytetty energia
2. Maa-aines (raerakenne, koheesioVkitkamaalaji, raekoko) 3. Vesipitoisuus
4. Kuivatiheys
Staattisen kuormituksen yhteydessä tapahtuva tiivistyminen on merkittävästi riippuvainen kuormituksen kestoajasta, joka on dynaamiseen kuormitukseen verrattuna moninkertainen [Turunen 1990]. Karkearakeisilla maalajeilla staattisella kuormituksella tapahtuva tiivistyminen lopulliseen tiiviyteensä tapahtuu yleensä lyhyen ajan kuluttua kuormituksen lisäämisestä, toisin kuin koheesiomaalajeilla jotka staattisen kuormituksen vaikutuksesta tiivistyvät useita vuosia. Staattisen kuormituksen yhteydessä on kysymys mm. konsolidaatiosta.
Alhaisella vesipitoisuudella maarakeita ympäröi ohut vesikalvo, joka pyrkii pitämään rakeet ympärillään jopa tiivistettynäkin (kuva 3.1). Mitä pienempiä rakeet ovat sitä merkittävämpi vesikalvon hylkivä vaikutus on. Vesipitoisuutta lisättäessä rakeet siirtyvät tiivistyksen aikana lähemmäksi toisiaan, jolloin ilmaa puristuu pois ja kuivatilavuuspaino kasvaa. Edelleen vettä lisättäessä tiettyyn pisteeseen saakka, ilmaa puristuu pois tiivistyksen aikana enemmän. Tuossa pisteessä maarakeet ovat pakkautuneet niin lähelle toisiaan kuin mahdollista, eli on saavutettu maksimikuivatilavuuspaino käytetyllä tiivistysenergialla. Mikäli vielä lisätään vettä maamassaan, alkaa lisätty vesi puskea maarakeita erilleen, jolloin kuivatilavuuspaino pienenee. Suuremmilla vesipitoisuuksilla ilmaa puristuu pois vähän tai ei ollenkaan ja tuloksena saatu kuivatilavuuspaino pienenee edelleen [Roppola 1989],
ilmahuokoset chut vesikalvo
ilmahuokoset vähentyneet
paksumpi vesikäIvo helpottaa liikkuvuutta a) ilmakuivat
maarakeet b) vesi lisätty
pimiä
nalkein hrkcset c) cptimivesi-
pitoisujs
hieman pienemmät ilmahuokoset liika vesi syrjäyttää maarakeet d) optimivesi-
pitoisuus ylitetty
Kuva 3.1 Periaatekuva maarakeiden tiivistymisestä [Roppola 1989].
Vesipitoisuutta jolla saavutetaan suurin kuivatilavuuspaino käytetyllä tiivistysenergialla, kutsutaan optimivesipitoisuudeksi. Vaihtelemalla vesipitoisuutta ja tiivistämällä maa- ainesta samalla energialla saadaan maalajia kuvaava tiivistyskäyrä, jossa tilavuuspaino kuvataan vesipitoisuuden funktiona. Esimerkkejä tiivistyskäyristä on kuvassa 3.2 [Turunen 1990], Optimivesipitoisuus ei ole materiaalivakio vaan se on sitä pienempi mitä suurempi on tiivistämistyö [Roppola 1989],
moreeni sora
hiekka
siltti savi
vesipitoisuus %
Kuva 3.2 Eri maalajien tiivistyskäyriä [Roppola 1989].
Tiivistyksessä ei yleensä päästä lähelle maksimitiiviyttä, koska tiivistysenergia on rajallinen, rakeiden kokojakautuma määrää tiiviin pakkauksen tilavuuden eikä kaikkea huokosilmaa voida poistaa. Huokosilma tosin poistuu maa-aineksesta aluksi helposti, koska huokoset ovat yhteydessä toisiinsa. Tiivistyksen jatkuessa raerakenne järjestäytyy uudelleen, huokoset pienenevät ja huokoskanavia sulkeutuu vaikeuttaen huokosilman poistumista. Tiivistyksen edistyessä pidemmälle huokoskanavat sulkeutuvat ja ilman poistuminen loppuu.
3.2 Tiivistyksen tunnuslukuja
3.2.1 Kiintotiheys
Tiheydellä tarkoitetaan yleisesti massan suhdetta tilavuuteen. Maan tiheyttä kuvattaessa käytetään käsitteitä kiinto- ja irtotiheys. Kiintotiheydellä tarkoitetaan maan kiinteän mineraaliaineksen massan suhdetta tilavuuteen (kaava 3.1) [SGY 1985],
Ps = (3.1)
jossa ps on kiintotiheys (t/m"’)
ms kiinteän aineksen massa (t) Vs kiinteän aineksen tilavuus (m3)
Irtotiheydellä tarkoitetaan koko maanäytteen massan suhdetta tilavuuteen (kaava 3.2) [SGY 1985],
m
?=v (3'2)
jossa p on irtotiheys (t/m3)
m koko maanäytteen massa (t) V koko maanäytteen tilavuus (m3)
Edellä mainittujen määritelmien lisäksi käytetään käsitettä kuivatiheys, jolla tarkoitetaan kuivatun kiinteän aineksen massan suhdetta koko näytteen tilavuuteen (kaava 3.3) [SGY
1985].
jossa pd on kuivatiheys (t/m3)
ms kuivatun kiinteän maa-aineksen massa (t) V koko maanäytteen tilavuus (m3)
(3.3)
Määritelmiä vastaavat maanäytteen massat ja tilavuudet on esitetty kuvassa 3.3.
Tilavuuspaino saadaan kertomalla irtotiheys maan vetovoiman kiihtyvyydellä (9,81 m/s2).
Tilavuus Massa
Kuva 3.3 Kaaviokuva maanäytteestä [SGY 1985],
3.2.2 Vesipitoisuus
Vesipitoisuudella tarkoitetaan maa-aineksessa olevan veden ja kiinteän maa-aineksen massojen suhdetta [SGY 1985].
w = — mw (3.4)
ms
jossa w on vesipitoisuus (ilmoitetaan yleensä painoprosentteina kuivapainosta) mw veden massa (t)
ms kiintoaineksen massa (t)
Maa-aineksessa sitoutuneena olevaa ns. kidevettä ei oteta huomioon veden massassa.
3.2.3 Huokoisuus ja huokosluku
Huokoisuudella ja huokosluvulla tarkoitetaan maan eri ainesosien keskinäisiä määriä.
Kuvassa 3.4 on esitetty maan kolmen komponentin - kiinteä maa-aines, huokosissa oleva vesi ja ilma - tilavuutta ja massaa kuvaavat merkinnät [SGY 1985].
Maan huokoisuudella tarkoitetaan huokosten tilavuuden suhdetta kokonaistilavuuteen (kaava 3.5) [SGY 1985],
jossa
V n on huokoisuus (-) Vv huokosten tilavuus V kokonaistilavuus
(3.5)
Huokosluvulla tarkoitetaan huokosten tilavuuden suhdetta kiinteän maa-aineksen tilavuuteen (kaava 3.6) [SGY 1985],
(3.6)
jossa e on huokosluku (-)
Vs kiinteän maa-aineksen tilavuus
Huokoisuus n. %
Huokosluku e
Massa Tilavuus
Maa-ai
Kuva 3.4 Maan komponenttien väliset massa- ja tilavuussuhteet [SGY1985].
Kitkamaalajien ominaisuuksista johtuen huokosluku tai huokoisuus eivät ole parhaita mahdollisia mittareita verratessa eri kitkamaalajien tiiviysasteita toisiinsa. Tähän tarkoitukseen on Terzaghi kehittänyt teorian suhteellisesta tiiviydestä, joka saadaan ratkaistua kaavan 3.7 avulla [SGY 1985].
Dr= — a*~e ■ (3.7)
e — emax min
Tässä opinnäytteessä on kuivairtotiheyttä käytetty näytteen tiiviysasteen kuvaamiseen rasialeikkauskokeessa, kolmiakselikokeessa sekä suorassa leikkauskokeessa. ICT- laitteella tiiviyttä on sitä vastoin kuvattu huokoisuuden avulla. Kaavoilla 3.8 ja 3.9 saadaan ratkaistua näiden termien välinen yhteys.
n = 1 Pd_
Ps
(3.8)
Pj
=0
~n)* p, (3.9)4 TARKASTELTAVAT MATERIAALIT
4.1 Yleistä
Tarkasteltaviksi materiaaleiksi valittiin Ojakkalan hiekka ja Porin hiekka. Näihin materiaaleihin päädyttiin sillä perusteella, että molempia oli tutkittu aikaisemmin TKK:n pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratoriossa ja näin ollen niistä oli valmista koeaineistoa riittävästi saatavilla, joita pystyttiin käyttämään hyödyksi tässä työssä. Tämä oli tärkeää, sillä näin pystyttiin vertailemaan tässä työssä tehtyjä kokeita aiemmin tehtyihin ja saatiin luotettava vertailupohja ICT-laitteella tehdyille kokeille.
4.2 Ojakkalan hiekka
Ojakkalan hiekka on luoteis - Uusimaalta, Ojakkalasta pohjarakennuksen ja maamekaniikan laboratorioon hankittua koehiekkaa. Ojakkalan hiekka on pesuseulottua ja sen rakeisuusalue on 0.125-4.0 mm. Hiekan rakeisuuskäyrä on esitetty kuvassa 4.1 ja
luokitusominaisuudet ovat taulukossa 4.1.
Taulukko 4.1 Ojakkalan hiekka, luokitusominaisuudet [Kastepohja 1985J.
Ominaisuus Yksikkö Ojakkalan hiekka
Kiintotiheys Ps. g/cm' 2,69
minimi kuivatiheys Pdmin ,g/CIU3 1,56
maksimi kuivatiheys Pdmax ,g/cm3 1,81
Huokosluku e min' • • wmaxp 0,489...0,724
Raekokosuhde C„-d60/d|0 2,65
Keskimääräinen raekoko Raemuoto
d50, mm 0,60
Pyöreäsärmäinen, kulmikas
SORA HIEKKA
SILTTI SAVI 0.002
HIENO p j KESKI q g KARKEA HIENO o KESKI HIENO Q.oQgKESKI Q 02KARKEA
30
0.006 □0.074 0.125 O 0.0006 0.002
RAEKOKO mm
Kuva 4.1 Ojakkalan hiekka, rakeisuus [Kastepohja 1985J.
Ojakkalan hiekan lujuusparametrejä on selvitetty kolmiakselikokeella, todellisella kolmiakselikokeella, rasialeikkauskokeella sekä levykuormituskokeella. Taulukossa 4.2 on kolmiakselikokeella saadut lujuusominaisuudet murtotilassa ja taulukossa 4.3 rasialeikkauskokeella saadut huippukitkakulman arvot. Suhteellinen tiiviys 0,60 vastaa kuivatiheyden arvoa 1,70 g/cm3.
Taulukko 4.2 Ojakkalan hiekka, kolmiakselikokeet, lujuusominaisuudet murtotilassa [Juvankoski 1985, Rantala 1995j.
Sellipaine
cj3 [kPa]
Suhteellinen tiiviys Dr
Kitkakulma
m
Koheesio c [kPa]
40 0.60 46.3 -
80 0.60 46.3 -
160 0.60 45.3 -
240 0.60 44.0 -
Edellisten k.a. koheesio huomioiden 43.6 10.9
Taulukko 4.3 Ojakkalan hiekka, rasialeikkauskokeet, huippukitkakulman arvot.
Kuivati lavuuspaino Kitkakulma
Pd [g/cm3] [°]
1,65 36,9
1,70 39,0
1,75 40,0
1,80 42,6
4.3 Porin hiekka
Hiekka on peräisin Oy Lohja Ab:n erikoishiekkatehtaalta Nakkilasta. Hiekka on sekoitettu kahdesta eri lajikkeesta: 1-4 mm:n hiekasta ja 5-10 mm.n somerosta.
Rakeisuuskäyrä on esitetty kuvassa 4.2. Hiekan luokitusominaisuudet selviävät taulukosta 4.4.
Taulukko 4.4 Porin hiekan luokitusominaisuudet [Aalto 1994],
Ominaisuus Yksikkö Porin hiekka
Kiintotiheys Ps, g/cm3 2,65
minimi kuivatiheys Pdmin ,g/cm3 1,585
maksimi kuivatiheys Pdmax >g/cm3 2,06
Huokosluku P min* *• maxP 0,286...0,672
Raekokosuhde Cu=d60/d10 6,3
Keskimääräinen raekoko d;o, mm 0,60
Humuspitoisuus Raemuoto
% 0,70
pyöreäsärmäinen, pallomainen
n mv: n nro n mv: nro n m a no net o a c a ia -io e.4
2.000E-04 0.002 0.02 0.2 2 20
Grain size, mm
—t— Pori Sand (6) Pori Sand (3)
Kuva 4.2 Porin hiekan rakeisuus. Lajitteet kuudesta ja kolmesta eri säkistä [Aalto 1994].
Porin hiekan lujuusominaisuuksia on tutkittu pohjarakennuksen- ja maamekaniikan laboratoriossa sekä kolmiakselikokeilla että rasialeikkauskokeilla. Taulukossa 4.5 on esitetty kolmiakselikokeilla saatu hiekan huippukitkakulma. Vaikka kyseessä olevalla näytteellä koheesio on nolla voidaan laskennan niin vaatiessa käyttää koheesiolle arvoa 1..2 kPa. Rasialeikkauskokeet on suoritettu sellaisella hiekalla josta oli seulottu yli 4 mm aines pois. Näin ollen kyseessä ei ole sama materiaali mitä tutkittiin tässä työssä.
Näiden rasialeikkauskokeiden perusteella huippukitkakulman arvoksi saatiin 44,4°
[Aalto 1994],
Taulukko 4.5 Porin hiekan lujuusominaisuudet.
Koe Sellipaine tiheys Kitkakulma Koheesio
ct3 [kPa] P [g/cm3]
m
c [kPa]Kolmiakselikoe 15-120 1.852 46,2 -
5 IC-KIERTOTIIVISTYSLAITE JA SEN TOIMINTA
5.1 Yleistä
IC-kiertotiivistyslaite on alunperin kehitetty jäykkien betonimassojen tutkimiseen 1980- luvun alkupuolella. Pian tämän jälkeen heräsi kiinnostus selvittää laitteen soveltuvuus maamassojen tutkimiseen [Keto 1995], Aiheesta on tehty neljä diplomityötä joissa on tutkittu maa-ainesten ja kalliomurskeiden tiivistymistä, sekä selvitetty hiekan lujuusominaisuuksien määrittämistä. Lisäksi on verrattu eri maamassoilla saavutettuja tiivistystuloksia Proctor-kokeen tuloksiin. Myös VTT on tutkinut proctor-kokeella ja IC-laitteella saatavien tiivistysarvojen eroa. Tässä työssä käytetään IC- kiertotiivistyslaitteesta nimitystä ICT-laite. Lyhenne ICT muodostuu sanoista Intensive Compaction Testing.
5.2 Laitteisto
ICT-laitemalleja on kaksi toimintaperiaatteen ollessa sama. Laitemallit eroavat toisistaan lähinnä kokonsa perusteella. Pienemmässä mallissa työsylinterin halkaisija on 100 mm ja korkeus noin 200 mm (kuva 5.1). Suuremmassa mallissa vastaavat luvut ovat 150 ja 250 mm [Keto 1995],
5.3 Toimintaperiaate ja kokeen suoritus
5.3.1 Tiivistyminen ICT-laitteessa
ICT-laite käyttää leikkaustiivistys-menetelmää. Tiivistyminen tapahtuu hallitusti ja tasaisesti edeten, kun näytteessä vallitsee sopiva paine ja leikkausliike. Paineen alaisena tapahtuva leikkausliike mahdollistaa massapartikkelien liikkumisen uusiin edullisempiin asentoihin ja lähemmäs toisiaan. Paine saadaan aikaan puristamalla näytettä kokeen
aikana työsylinterissä vakiovoimalla pohja- ja kansilevyjen välissä (kuva 5.2).
Jaksollinen leikkausliike sylinterissä saadaan aikaan työsylinterin kallistuksen suuntaa muuttamalla [Invelop Oy 1998], Tätä kutsutaan gyratory-periaatteeksi.
Kuva 5.1 ICT-laite, malli ICT-100R.
Kuva 5.2 ICT-laitteen toimintaperiaate [Keto 1995],
Tiivistämistä gyratory-periaatteella voidaan havainnollistaa seuraavasti: Näytteen geometrinen muoto on sylinteri, jonka päädyt ovat yhdensuuntaiset, mutta hiukan vinossa sylinterin akselin suhteen. Tämän ”kallistuksen” suunta pyörii mittauksen aikana sylinterin keskiakselin ympäri. Yhtä kokonaista kierrosta kutsutaan työkierrokseksi. Jokainen kierros saa aikaan tietyn suuruisen leikkausliikkeen
näytteessä. Näytteen sisäisiä leikkauspintoja havainnollistaa kuva 5.3, jossa massa on koottu pienistä elementeistä. Leikkaus syntyy, kun jokainen elementti liukuu viereisen elementin suhteen [Invelop Oy 1998],
Kuva 5.3 ICT-laitteessa kokeen aikana syntyviä leikkauspintoja [Keto 1995].
5.3.2 Tiivistymisenergia ja tiivistyspaine
Tiivistykseen käytettävää energiaa voidaan tarkastella sisäisen voimanmittauksen avulla. Työsylinterin kanteen vaikuttavat voimat on esitetty kuvassa 5.4.
Kuvassa esitettyjen voimien lisäksi kanteen kohdistuu maamassan ja kannen välinen puristuspaine sekä työsylinterin seinämän ja näytteen välisestä kitkasta aiheutuva voima.
Voimien suuruuteen vaikuttavat tiivistettävän massan ominaisuudet sekä käytettävä paine. Mittaustulokset ilmoittavat työsylinterin kannen keskipisteeseen kohdistuvan momentin maksimiarvot. Arvot ovat verrannollisia näytteen sisäiseen kitkaan eli leikkausvoimaan. Momentin suunta seuraa pyörivää työliikettä. Momentin mittaussuunta puolestaan ei muutu, joten momenttikuvaajasta muodostuu sinimuotoinen käyrä [Keto 1995].
P P = paineilmasylinterin aikaan
saama massaa kokoonpurista- t
Fc = tukivoima työsyiinterin sei
nän ja kannen välillä
Fm = poikittaisvoima työsyiinterin kannen tukilaakerissa
va voima
Kuva 5.4 Työsyiinterin kanteen vaikuttavat voimat [Keto 1995].
Tiivistysenergia saadaan integroimalla momentti lauseketta, kun tiedetään yhdellä kierroksella tapahtuva liukuma ja poikkeutuskulman arvo [Keto 1995].
(5.1)
W on tiivistysenergia työkierrokseen n asti [J]
r/h poikkeutuskulma (kiertotiivistyskulma) [rad]
M momentti [Nm]
n työkierrosten määrä [kpl]
jossa
Yhtälöstä 5.1 selville saatava tiivistysenergia vastaa sitä energiamäärää mikä kuluu sekä näytteen tiivistämiseen, että työsyiinterin seinän ja näytteen välisen kitkan voittamiseen.
Näytteen ja työsyiinterin seinän välisen kitkan suuruus tulisi tietää, jotta pelkkä tiivistämiseen kuluva energia voitaisiin määritää. Tiivistysenergia voidaan laskea myös käytetyn paineen ja työkierrosten tulona [Keto 1995].
Kokeen alkuvaiheessa, kun työsylinterin kansilevy puristuu näytettä vasten, tapahtuu näytteen tiivistymistä. Tiivistyminen on kuitenkin vähäistä ja sen vaikutus jää merkityksettömäksi jo muutaman työkierroksen jälkeen [Keto 1995].
Kedon mukaan [Keto 1995] käytettäessä pienempää työpainetta näyte ei tiivisty yhtä paljon kuin suurempaa työpainetta käytettäessä, vaikka työkierrosten määrää lisättäisiinkin. Sen sijaan Erik Nordenswanin tekemien tutkimusten mukaan tietyssä tiivistysasteessa tiivistysnopeus on suoraan verrannollinen paineeseen ja tiivistyskäyrään sovitetun mallin arvioima ”äärettömän” tiivistystyön tuloksena saavutettava tiheys on käytännöllisesti katsoen paineesta riippumaton.
5.3.3 Kokeen suoritus
Varsinainen koe aloitetaan punnitsemalla tyhjä työsylinteri. Tämän jälkeen tutkittavaa massaa annostellaan työsylinteriin pohja- ja päätylevyn päälle riittävä määrä, siten että näytteen loppukorkeus 100 mm halkaisijaltaan olevassa sylinterissä on 100-110 mm ja 150 mm halkaisijaltaan olevassa sylinterissä 150-160 mm. Täyttämisen jälkeen työsylinteri punnitaan, toinen päätylevy asetetaan paikalleen ja työsylinteri asetetaan laitteeseen.
IC-kiertotiivistyslaitteen ohjausyksiköksi voidaan kytkeä kannettava tai kiinteä mikrotietokone, johon asennetaan erillinen ohjausohjelma. Kun ohjausohjelma on käynnistetty, ilmestyy näytölle valikko, johon syötetään lähtö- ja tunnistetiedoiksi kokeen tunnusluku, näytekoodi/näytteen ikä, näytteen paino, säädetty mittanpaine ja kiertotiivistyskulma sekä kokeen pituus työkierroksina ja tulostustiedoston nimi.
Ohjelma voidaan asettaa pysähtymään tiettyyn tiheyteen, jolloin ajo pysähtyy heti, kun tämä tiheys on saavutettu [Keto 1995].
Tiivistymisen edistymistä kokeen aikana voi seurata tietokoneen näytölle tulostuvasta grafiikasta, jossa näkyvät näytteen korkeuden ja leikkausvastuksen muutokset. Näytöllä näkyvät myös valittu kokeen pituus, suoritettujen työkierrosten määrä sekä tiettyjen
rekisteröintipisteiden kohdalla saavutetut tiheyden ja leikkausvastuksen numeroarvot [Keto 1995],
Leikkausjännitys lasketaan kokeen aikana työsylinterin yläkannessa vaikuttavan momentin avulla kaavalla 5.2. Käytännössä leikkausjännitys on summa näytteessä vallitsevista liikettä vastustavista voimista. Näitä voimia ovat leikkauspinnalla vallitseva kitka sekä näytesylinterin seinämän ja näytteen välillä vallitseva kitka [Keto 1995], Kokeen päätyttyä näytölle tulostuvat kokeen tunnistetiedot ja mittaustulokset taulukkomuodossa. Haluttaessa näytön sisältö voidaan tulostaa paperille.
T =---2 M V
jossa t on leikkausjännitys M momentti V tilavuus
(5.2)
6 LABORATORIOKOKEET
6.1 Kokeiden suoritus
6.1.1 Rasialeikkauskokeet
Työssä tehtiin rasialeikkauskokeita, kolmiakselikokeita, kiertotiivistinkokeita sekä suoria leikkauskokeita. Molempia tarkasteltavia hiekkoja tutkittiin neljällä eri vesipitoisuuden arvolla. Nämä arvot olivat w=0%, w=0,5%, w=3% ja w=6%.
Rasialeikkauskokeita tehtiin molemmille hiekoille kahdella eri kuivatiheyden arvolla.
Ojakkalan hiekalle arvot olivat pd=l,70 g/cm' sekä pd=l,62 g/cm3. Porin hiekalle käytettiin tiheyksiä pd=l,80 g/cm3 ja pd=l ,72 g/cm3. Tutkittaessa hiekkoja rasialeikkauskokeilla, suuremmilla kuivairtotiheyden arvoilla kokeet tehtiin neljällä eri normaalijännityksellä, jotka olivat 40 kPa, 80 kPa, 120 kPa ja 160 kPa. Pienemmillä tiheyksillä käytettiin 40 kPa:n, 80 kPa:n sekä 160 kPa:n normaalijännityksiä.
Rasialeikkauskokeet tehtiin kahdella eri kuivatiheydellä koska haluttiin tutkia kasvaako rasialeikkauskokeessa leikkausvastus huokoisuuden pienentyessä samassa suhteessa kuin ICT-laitteella tehdyissä kokeissa.
Rasialeikkauskokeessa näyte asetetaan yleensä neliönmuotoiseen rasiaan jossa sitä kuormitetaan vakiona pysyvällä normaalivoimalla. Leikkaus suoritetaan työntämällä rasian liikkuvaa alaosaa, kunnes näytteen murtuminen tapahtuu. Koe voidaan suorittaa kuten kolmiakselikoekin eri menetelmillä (q, cq-ja s-koe). Rasialeikkauskoetta voidaan käyttää sekä kitka- että koheesiomaalajien lujuusominaisuuksien määrittämiseen [Gardemeister 1966]. Tässä työssä kokeet suoritettiin q-kokeena ja maanäytteen alapuolelle asetettiin metallilevyjä päälle huokoskivi. Rasialeikkauskokeessa tarvittavat välineet ovat: Leikkauskoje, näytteen käsittelyvälineet (lusikka, trimmeri) ja sulloin.
Rasialeikkauskokeessa sullotaan halutun kuivairtotiheyden vaatima määrä hiekkaa rasiaan. Eri kosteuspitoisuuksilla tehtävät kokeet suoritettiin siten että kaikkiin kokeisiin laitettiin saman verran kuivaa hiekkaa ja tähän määrään lisättiin kunkin
kosteuspitoisuuden vaatima vesimäärä. Veden sekoittaminen hiekkaan tehtiin muovipussissa (kuva 6.1). Tämä tapahtui seuraavasti: Vaa’alle asetettiin muovipussi jonne laitettiin riittävä määrä hiekkaa. Tämän jälkeen pussissa olevaan hiekkaan ruiskutettiin suihkepullolla kunkin kosteuspitoisuuden vaatima määrä vettä.
Suihkutuksen jälkeen pussi käärittiin kiinni niin, että sinne jäi ilmaa. Lopuksi pussia heiluteltiin hetken aikaa ilmassa jotta vesi sekoittui tasaisesti hiekkaan. Kosteilla näytteillä oletettiin näytteen olevan tasaisesti sekoittunut kun kosteata hiekkaa alkoi jäädä pussin pintaan. Kummallakaan hiekalla kokeissa käytetty kuivatiheyden arvo ei ollut lähellä maksimia joten kuiva näyte oli helppo saada sopimaan rasiaan, mutta kuuden prosentin vesipitoisuuden omaavat näytteet vaativat huomattavasti enemmän työtä, jotta ne saatiin haluttuun tiiviyteen. Kokeet tehtiin kolmen kappaleen erissä.
Koska kokeet tehtiin yhden henkilön voimin, ei kaikkia kokeita leikattu samanaikaisesti vaan ensin leikattiin kaksi ja näiden jälkeen kolmas. Näin tehtiin luotettavien koetulosten varmistamiseksi. Esikonsolidointiaika oli kahdella ensimmäisellä näytteellä n. 15 min ja viimeisellä n. 30 min.
Kuva 6.1 Hiekan ja veden sekoittaminen.
Leikkaus suoritetaan siten, että moottorin pyörittämä kierukka työntää rasian alaosaa tasaisella nopeudella (yksi kierros vastaa 0,2 mm sivusiirtymää), tässä työssä leikkausnopeus oli 0,5mm/min. Rasian yläosa tukee voiman mittausrenkaaseen. jonka kokoonpuristumaa vastaavat leikkausjännitykset saadaan laskettua mittakellon lukeman ja kalibrointikertoimen avulla. Näytteen tiivistymistä tai paisumista tarkkaillaan pystysuorasta mittakellosta. Lukemat otetaan molemmista mittakelloista kerran jokaisen laitteessa olevan käsipyörän pyörähdyksen aikana mittamerkkien ollessa kohdakkain.
Leikkausta jatketaan, kunnes maanäyte murtuu vaakasuoraa murtopintaa pitkin. Kunkin näytteen leikkausjännityksen maksimiarvot merkitään akselistoon, jossa vaaka-akselina on normaalivoima ja pystyakselina leikkausjännitys. Saadut pisteet yhdistetään, jolloin saadaan suora, jonka kaltevuus osoittaa maan kitkakulman suuruuden. Saadun suoran ja pystyakselin leikkauskohta osoittaa koheesiota [Gardemeister 1966].
RasialeikJkauskokeen toiminnallinen periaate on esitetty kuvassa 6.2.
Kuva 6.2 Rasialeikkauskokeen toiminnallinen periaate [Gardemeister 1966],
6.1.2 Kolmiakselikokeet
Kolmiakselikokeissa sekä Ojakkalan hiekkaa, että Porin hiekkaa tutkittiin 3%
vesipitoisuudessa. Veden lisäys näytteisiin suoritettiin samalla tavalla kuin muitakin kokeita tehdessä. Kokeen valmistelu aloitettiin sullomalla hiekka muovisylinterin sisässä olevaan kumisukkaan. Kumi oli sitä ennen laitettu sylinterin pohjalla olevan metallisen männän ympärille, liitoksen tiiviys ja paikalla pysyvyys varmistettiin kumisilla O-renkailla. Ennen kumin asettamista mäntä oli voidella kevyesti vaseliinilla kitkan vähentämiseksi. Kumi saatiin istumaan muovisylinterin reunoja vasten imun
avulla, kumin ja muovisylinterin välissä oli lisäksi paperi. Näyte lisättiin sylinteriin kuutena eri kerroksena siten että alempi kerros on hieman sen yläpuolelle tulevaa kerrosta korkeampi kerrokseen tulevan näytemäärän kuitenkin ollessa sama. Näin yläpuolinen kerros tiivistää aina myöskin alempaa jolloin saavutetaan mahdollisimman homogeeninen lopputulos. Kun näyte on sullottu lopulliseen korkeuteensa (20cm), otetaan muovisylinteri pois, näytteen päälle laitetaan mäntä ja näiden päälle vielä varmuuden vuoksi toinen kumi, tällä varmistetaan että näyte on varmasti tiivis. Tämän jälkeen asetetaan pohjalevyyn pieni teline tilavuudenmittausta varten. Telineeseen kiinnitetään anturit, jotka mittaavat tilavuuden muutoksen sekä näytteen ylä- että alaosassa. Kun anturi on kytketty kiinni, näytteen päälle asetetaan läpinäkyvästä muovista valmistettu selli. Selli kiinnitetään pohjalevyyn ruuvaamalla. Näyteselli asetetaan kolmiakselilaitteeseen ja korkeudenmuutoksen mittaava anturi sekä paineletku kytketään selliin. Kolmiakselikokeen kaaviokuva on esitetty kuvassa 6.3.
Kun kaikki valmistelut on tehty, asetetaan selliin 10 kPa:n asetuskuormitus, tämä sen takia jotta voidaan ottaa imu pois näytteestä. Minuutti kuormituksen käynnistämisen jälkeen kirjataan korkeuden ja tilaavuuden muutokset. Toisen kerran lukemat otettiin n.
10 min kokeen alusta, tämän jälkeen lukemat nollattiin ja aloitettiin esikonsolidaatio (Porinhiekalla asetuskuormitus oli koko yön päällä). Esikonsolidaatiossa näyteselli in asetettiin haluttu sellipaine ja tarkkailtiin sen aiheuttamia muodonmuutoksia.
Esikonsolidaatioaikana käytettiin puolta tuntia. Ojakkalan hiekalla kokeet tehtiin 40, 80 ja 160 kPa:n sellipaineilla, Porin hiekalla käytettiin sellipaineita 40,80 ja 120 kPa. Porin hiekalla käytettiin 120 kPa:n sellipainetta 160 kPa:n asemesta koeteknisistä syistä.
Konsolidoinnin jälkeen aloitettiin varsinainen koe. Kokeessa näytteen yläpuolella olevaa mäntää lasketaan tasaisella nopeudella alaspäin (v=0,l mm/min.) ja seurataan näytteessä esiintyviä muodonmuutoksia sekä mäntää vastustavaa voimaa. Koe lopetettiin 20 mm korkeuden muutoksen jälkeen. Lukemat kirjattiin ennen maksimikuormituksen saavuttamista 0,1 mm välein ja kun maksimikuormitus saavutettiin, lukemaväliä harvennettiin. Kokeen loputtua näyte laitettiin uuniin kuivumaan vesipitoisuuden selvittämiseksi.
Maa- näyte
Kuva 6.3 kolmiakselikokeen kaaviokuva [Gardemeister 1966].
6.1.3 ICT-kokeet
ICT-laitteella tehtiin kokeet samoilla kosteuspitoisuuksilla kuin rasialeikkauskokeissa.
Normaalijännityksenä käytettiin kolmea eri arvoa: 40 kPa, 80kPa ja 160 kPa. Ojakkalan hiekalla kuivaa näytettä laitettiin koesylinteriin 1400 g ja Porin hiekalla 1450 g. Määrät saatiin muutaman koetiivistyksen jälkeen, kun pyrkimyksenä oli saada näytteen lopulliseksi korkeudeksi n. 100 mm. Jälkikäteen tehtiin Åbo Academin toimesta muutamia kokeita 320 kPa:n normaalijännityksellä.
Koetyöskentelyn nopeuttamiseksi käytössä oli kaksi sylinteriä, toista pystyttiin täyttämään samalla kun toinen oli kokeessa. Koetulosten laadun varmistamiseksi molemmat sylinterit kalibroitiin ennen koesarjan aloitusta. Ulkopuolisen kitkan minimoimiseksi vastinlevyjen reunat öljyttiin kokeiden välissä. Varsinkin kuivilla näytteillä jäi kokeen aikana hiekkapölyä ja pieniä muruja vastinlevyn läheisyyteen, nämä saatiin pois imurilla.
Kuten luvussa 5 mainittiin, kokeen muuttuvat ominaisuudet voidaan näppäillä tietokoneelle lukuun ottamatta puristuspainetta, joka kyllä näppäillään päätteelle mutta täytyy sen jälkeen säätää käsin koneen kyljestä näytön osoittamaan lukemaan baareina.
Alin puristuspaine jonka laite hyväksyy on 50 kPa. Säätäessämme kone 40 kPa:n paineelle laite suoritti kyllä tiivistyksen mutta ei näin alhaisella paineella jaksanut nostaa mäntää ylös, joten jokaisen kokeen jälkeen täytyi lisätä painetta ja sitten taas yrittää sihdata 40 kPa:n lukemaan ennen uutta koetta.
Kokeita tehdessämme käytimme pyörimisnopeutta 20 r/min ja kiertokulmaa 40 mrad.
Lopetimme kokeet sadan työkierroksen jälkeen, koska aikaisempien kokeiden perusteella oli havaittu, että suurin osa tiivistymisestä tapahtuu ensimmäisen sadan kierroksen aikana. Ojakkalan hiekalla päästiinkin näiden ensimmäisen sadan kierroksen aikana samaan maksimikuivatiheyteen kuin mikä oli saavutettu muilla tiivistyskokeilla, Porin hiekalla jäätiin maksimikuivatiheydestä hieman. Itse tiivistyskoe kesti viisi minuuttia, kuivilla hiekoilla työskenneltäessä tässä ajassa ehti mainiosti valmistella seuraavan sylinterin, mutta yksin työskennellessä kosteammilla hiekoilla kokeen tekeminen kokonaisuudessaan kesti noin 10-15 min. Sen lisäksi veden sekoittamisessa hiekkaan käyttämämme viiden litran pakastuspussit osoittautuivat huonolaatuisiksi ja muutama hajosi sekoitusvaiheessa, ennenkuin aloimme tarkastaa pusseja ennen käyttöönottoa. Kuitenkin voidaan todeta koejärjestelyn olevan huomattavasti nopeampi kuin rasialeikkauskokeella, jossa pelkkä näytteen tiivistäminen rasiaan voi viedä saman ajan kuin ICT-laitteella menee koko kokeeseen.
6.1.4 Suorat leikkauskokeet
Pyrittäessä mallintamaan ICT-laitteessa vaikuttavaa koetilannetta, otettiin käyttöön norjalainen suora leikkauskoje (kuva 6.4). Tässä kojeessa näytteen tilavuus pysyy kokeen suorituksen ajan lähes vakiona vaikuttavan normaal(jännityksen kulman muuttuessa halutulla vakionopeudella.
Halutun tiiviyden vaatima määrä maa-ainesta sullotaan jalustaan kiinnitettyyn kumisylinteriin. Tämän kumikalvon sisään on kierretty 0,15 mm metallilankaa spiraaliksi 25 kierrosta/cm. Tällainen kalvo sallii näytteen korkeuden muutokset, mutta säilyttää näytteen halkaisijan muuttumattomana kokeen aikana [Järvenmäki 1985],
Näytteen korkeus voi suurimmillaan olla 20 mm. Käytimme kokeissa 18 mm korkeita näytteitä. Näytteen pinta-ala on 50 cm2. Sullotun näytteen päälle asetetaan päällyskappale ja kumisylinteri vedetään päällyskappaleen päälle ja kiinnitetään tiiviisti.
Näytteen ylä- ja alapuolella on huokoskivi. Näyte jalustoineen asetetaan leikkauskojeeseen ja käytettävän normaalijännityksen vaatima määrä painoja lisätään.
Ennen leikkausta näytteen annettiin konsolidoitua. Käytimme 15 minuutin konsolidointiaikaa.
Kuva 6.4 Norjalainen suora leikkauskoje [Geonor 1968J.
Kokeessa näytteen yläpuolelle asetettu kappale liikkuu vaakasuorassa suunnassa eteenpäin jalustan pysyessä paikallaan. Näin näyte kallistuu kokeen ajan ja näytteeseen vaikuttava normaalijännitys on koko ajan eri kulmassa näytteeseen nähden (kuva 6.5).
Käyttämämme leikkausnopeus oli 0,11 mm/min. Kokeen alussa nopeus oli huomattavasti hitaampi, mutta käytetty nopeus saavutettiin noin 1 mm sivusiirtymän
jälkeen. Normaalijäänityksen ja näytteen yläpinnan välinen kulma kulloisellakin hetkellä lasketaan kaavalla 6.1 [Geonor 1968]:
a =— * 100%
h jossa a on vaakasiirtymä
Ax mitattu vaakasiirtymä h näytteen korkeus
Kuva 6.5 Suorassa leikkauskokeessa tapahtuva kulmanmuutos.
(6.1)
Vaakasiirtymä ilmoitetaan prosentteina, jolloin yhden prosentin siirtymä vastaa 0,01 radiaanin kulmaa. Suurin mahdollinen vaakasiirtymä on 10 mm 0-asennosta molempiin suuntiin. Kokeen aikana seurataan vaakasiirtymää, korkeuden muutosta, leikkausvastusta sekä normaalijännitystä ja aikaa.
Kokeita tehtiin molemmille tutkittaville hiekoille. Koska kokeiden pääasiallisena tarkoituksena oli tutkia onko suorassa leikkauskokeessa hiekan käyttäytyminen samanlaista kuin ICT-laitteessa, käytimme 160 kPa:n normaalijännitystä. Hiekkojen vesipitoisuutena käytettiin 0,5 %:ia. Kuivatiheytenä käytettiin samoja arvoja kuin rasialeikkauskokeissa eli Ojakkalan hiekalle pd=l,70 g/cm3 ja Porin hiekalle pd=l,80 g/cm3. Ojakkalan hiekalla tehtiin kolme koetta, kaksi ensimmäistä lopetettiin 0,28 radiaanin kohdalla. Kolmatta koetta jatkettiin 0,37 radiaanin kulman muutokseen asti, jotta nähtiin kuinka paljon leikkausjännitys vähenee 0,28 rad arvosta. Porin hiekalla tehtiin kaksi koetta, molemmat 0,37 rad kulman muutokseen saakka.
6.2 Tulokset
6.2.1 Rasialeikkauskokeet
Rasialeikkauskokeissa kukin koe on yksilöllinen, sillä varsinkin jos näyte on löyhää rasiaan voi tulla eri tiiviyksissä olevia kerroksia. Myöskään näytteen yläpinta ei välttämättä joka kerta ole aivan samalla tasolla, jolloin näytteen tiheys vaihtelee.
Taulukossa 6.1 on tässä opinnäytteessä tehtyjen Ojakkalan hiekan rasialeikkauskokeiden tulokset. Liitteissä 1-3 on esitetty yksittäisistä kokeista saadut leikkausjännityksen arvot sekä Ojakkalan, että Porin hiekalle.
Taulukko 6.1 Ojakkalan hiekan lujuusominaisuuksia.
Kuivatiheys Pd[g/cm3]
Vesipitoisuus w[%]
Huippukitkakulma
♦n
Koheesio c[kPa]
Residuaalikitkakulma
kesti
1,70 0,1 39,0 8 35,9
1,70 0,5 38,3 8 32,8
1,70 2,7 41,5 2 36,4
1,70 5,5 39,8 16 34,5
1,62 0,2 35,7 - -
1,62 0,6 38,3 - -
1,62 3,0 41,3 6 -
1,62 5,6 40,1 7 -
Taulukosta 6.1 on havaittavissa että kuivatiheydellä 1,62 g/cm3 on huippukitkakulmat kosteilla näytteillä lähes samat kuin kuivatiheydellä 1,70 g/cm’. Tästä voidaan päätellä, että pienemmällä kuivatiheyden arvolla tehdyt kokeet eivät anna luotettavaa tulosta.
Kappaleessa 2.2.3 on yhdeksi kitkakulman suuruuteen vaikuttavista tekijöistä mainittu nimenomaan maanäytteen tiiviys. Kuivatiheydellä 1,70 g/cm’ on sen sijaan tehty pohjarakennuslaboratoriossa huomattava määrä rasialeikkauskokeita ja kuivalla hiekalla on päästy samaan 39° kitkakulmaan. Luvussa 4 olevassa Ojakkalan hiekan lujuusominaisuuksia esittelevässä taulukossa oli kitkakulmaksi saatu kolmiakselikokeilla n. 44° mikä on huomattavasti suurempi kuin rasialeikkauskokeilla saatu lujuus. Eri koemenetelmien välinen ero on yllättävän suuri. Verrattaessa rasialeikkauskokeilla leikkauslujuuden kasvua huokoisuuden pienentyessä vastaavaan muutokseen ICT-laitteella saatuihin tuloksiin, huomataan että tulokset vaihtelevat sen
verran paljon toisistaan, riippuen kokeessa käytetystä vesipitoisuudesta ja normaalijännityksestä, että riippuvaisuutta ei voida muodostaa. Molemmille hiekoille valittiin rasialeikkauskokeisiin pienemmäksi kuivairtotiheyden arvoksi turhan pieni tiheys, jolloin näytteet olivat löyhässä tilassa. Näin ollen koetulokset eivät muodostuneet kovinkaan luotettaviksi. Taulukossa 6.2 ovat Porin hiekan rasialeikkauskokeiden tulokset.
Taulukko 6.2 Porin hiekan lujuusominaisuudet.
Kuivatiheys Pd[g/cm3]
Vesipitoisuus w[%]
Huippukitkakulma
<f>[°]
Koheesio c[kPa]
Residuaalikitkakulma
<u°]
1,80 0,3 46,6 2 40,0
1,80 0,7 38,0 21 34,9
1,80 2,8 42,8 13 36,4
1,80 5,8 45,0 13 38,6
1,72 0,3 39,7 2
1,72 0,7 41,8 - -
1,72 3,0 38,6 15 -
1,72 5,8 41,9 14 -
Porin hiekalla on aikaisemmin tehdyissä kolmiakselikokeissa saavutettu 46,2°
kitkakulma kuivalla hiekalla. Kokeet suoritettiin kuivatiheydellä 1,852 g/cm3 [Aalto 1994], Näin ollen pd=l,80 g/cm’ (w=0%) tehdyillä kokeilla on saavutettu hieman liian suuri kitkakulma. Löyhemmän ja tiiviimmän näytteen välinen ero huippukitkakulman arvoissa on kuitenkin oikean suuntainen, lukuunottamatta w=0,7% arvoja. Syy siihen miksi aivan kuivalla näytteellä ei ole tehty rasialeikkauskokeita on se että varastossa ollut hiekka oletettiin kuivaksi, kuitenkin siinä oli 0,3 % kosteutta.
6.2.2 Kolmiakselikokeet
Kuvassa 6.6 on sekä Porin hiekan että Ojakkalan hiekan kolmiakselikokeiden tulokset.
Ojakkalan hiekalla huippukitkakulmaksi saatiin 39,3° ja Porin hiekalla 40,2°.
Aikaisemmissa tutkimuksissa saatiin kuivalla Ojakkalan hiekalla kitkakulmaksi n. 44° ja Porin hiekalla 46,2 joten 3 % vesipitoisuuden voidaan todeta pienentävän hiekan sisäistä kitkakulmaa. Tosin rasialeikkauskokeilla tulokset olivat Ojakkalan hiekalla
päinvastaiset. Näin ollen huomataan eri koemenetelmien erovaisuudet kitkakulman arvoissa sekä kuivilla että kosteilla hiekoilla.
Vl
+ 2 N♦ Porin hk
■ Ojakkalan hk
Ojakkalan hiekka:
w = 3 %
c = 9,5 kPa
Porin hiekka:
<\> = 40,2'
100 120 140 160 180 200 Sellipaine [kPa]
Kuva 6.6 Huippukitkakulman määritys kolmiakselikokeella Ojakkalan ja Porin hiekalle.
6.2.3 ICT-kokeet
Luotettavien koetulosten varmistamiseksi jokaisella kosteuspitoisuudella ja paineella tehtiin kolme rinnakkaiskoetta. Kuten jo aiemmin on mainittu ICT-laite mittaa kokeen aikana näytteen korkeutta sekä liikettä vastustavaa momenttia. Näistä arvoista saadaan
laskettua näytteen leikkausvastus ja tilavuus kokeen eri vaiheissa. ICT-laite antaa jokaisesta kokeesta tekstitiedoston joka käännetään basic-kielisen ohjelman avulla excel-taulukkoon josta selviävät näytteen korkeus tietyllä koehetkellä, sekä vastaavissa pisteissä vallinnut leikkausvastus sekä näytteen huokoisuus. Nämä rekisteröidyt pisteet olivat työkierrokset nro: 1,2,3,4,5,6,8,10.12,16,20,25,32.40,50,63,79 ja ] 00. Näytteen tiiviyttä kuvaavaksi suureeksi valittiin huokoisuus [n]. Suureeksi olisi voitu valita myöskin huokosluku [e] tai ominaistilavuus [e+1]. Parametrien huokoisuus [n] ja huokosluku [e] ratkaiseminen on esitetty kappaleessa 3.2.3.
Kun kolmen rinnakkaiskokeen koetuloksista piirrettiin kuvaaja huokoisuus- leikkausjännitys taulukkoon eivät yhdenkään kokeen tulokset muodostaneet suoraa viivaa maamateriaalien luonnollisen hajonnan takia (kuva 6.7).
Ojakkalan hiekka, W=0%, 80 kPa
Koe 1 Koe 2 Koe 3 Yhd. suora
60,00
0.32 0.33 0,34 0,35 0,36 0,37 0,38 0,39 0,40
Huokoisuus
Kuva 6. 7 Ojakkalan hiekka, ICT-koe, w-0, cr=80 kPa.
Leikkausvastuksen ja huokoisuuden välistä vuorosuhdetta voidaan kuitenkin kuvan 6.7 perusteella pitää lineaarisena ja kuvassa esitettyä pienimmän neliösumman suoraa (katkoviiva) on painotettu tiiviimmille osuuksille.
Verrattaessa eri kosteuspitoisuudella tehtyjä kokeita toisiinsa (normaalijännityksen pysyessä vakiona), voidaan todeta w=6% materiaaleilla olevan suurimmat leikkausjännityksen arvot tiivistysprosessin alkuvaiheissa. Muutenkin kosteammilla massoilla on suuremmat leikkausjännityksen arvot kuin kuivilla massoilla. Tämä ilmiö johtuu negatiivisen huokosvedenpaineen eli imupaineen vaikutuksesta (liitteet 4-9).
Porin hiekalla poikkeuksenomaisesti 0,5% vesipitoisuudella on otoksen pienimmät leikkauslujuudet. Toisin kuin Ojakkalan hiekalla, jolla pienin raekoko on 0,125 mm, Porin hiekassa on hienoainesta mukana ja pieni veden lisäys kuivaan massaan sitoo nämä hienoainekset itseensä. Koska veden lisäys on vain 0,5% se ei kuitenkaan nosta huokosvedenpaineen arvoa, vaan kuluu hienoaineksen sitomiseen. Tietyissä tapauksissa, materiaalista ja tiivistävästä normaalivoimasta riippuen, kuivemmilla massoilla leikkausjännitys ylittää kosteampien massojen leikkausjännityksen lähestyttäessä kullakin normaalivoimalla saavutettavaa tiiveintä tilaa.
Vesipitoisuuden ollessa vakio ja verrattavina suureina eri normaali]ännityksillä ajetut kokeet, havaitaan kaikilla vesipitoisuuden arvoilla sama ilmiö. Mitä suurempi normaalijännitys, sitä jyrkemmin leikkausjännitys kasvaa näytteen tiivistyessä (liitteet 10-17). Tämä pätee molemmilla hiekoilla.
Tiivistettävän materiaalin ja työsylinterin seinän välisestä kitkakertoimen suuruudesta ei ole olemassa tarkkaa tietoa. Mitä kosteampi tiivistettävä näyte on, sitä pienempi on seinämäkitka. Syynä on veden voiteleva vaikutus. Verrattaessa eri kosteuspitoisuudella tehtyjä kokeita toisiinsa tämä voiteleva vaikutus ei tule esille, sillä kosteammilla maanäytteillä on suurempi negatiivinen huokosvedenpaine joka kasvattaa leikkauslujuutta. Teimme yhden kokeen jossa näyte laitettiin muovipussin sisään ja sylinterin seinät öljyttiin (liite 18). Verrattaessa tätä koetta muihin samoilla lähtöarvoilla suoritettuihin kokeisiin, voidaan havaita, että öljytty näyte aiheuttaa kokeen alussa huomattavasti suuremman leikkausvastuksen kuin tavalliset näytteet. 12 työkierroksen
