Gonflement du sol et relations masse / volume

Compte tenu de la teneur en humidité, de la gravité spécifique des solides, du volume initial et du poids. On me demande de calculer le poids unitaire humide, le poids unitaire sec et le degré de saturation de ce sol compacté. C'est déjà fait. Cet échantillon de sol compacté a ensuite été immergé dans l'eau. Après 2 semaines, il a été constaté que l'échantillon avait gonflé et son volume total avait augmenté de 5%. Ensuite, on me demande de calculer le nouveau poids unitaire et la teneur en humidité de l'échantillon de sol après 2 semaines de submersion dans l'eau.

La teneur en humidité et le volume total sont connus pour changer, mais quelles propriétés restent constantes pendant la submersion? S (r) peut-il être pris comme 1?

Les informations fournies décrivant un échantillon de sol compacté sont les suivantes:

• teneur en humidité initiale,$\omega_{init}$
• gravité spécifique,$G_s$
• volume initial,$V_{init}$
• poids initial,$W_{init}$

Pour être complet: les informations suivantes ont déjà été déterminées:

• poids unitaire humide, utilisant la relation γ w e t = W i n i $\gamma_{wet}$$\gamma_{wet}=\frac{W_{init}}{V_{init}}$
• poids unitaire sec, utilisant la relation γ d - i n i t = γ w e $\gamma_{d-init}$$\gamma_{d-init}=\frac{\gamma_{wet}}{1+\omega_{init}}$
• saturation, utilisant la relationS = 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}}$

(où est le poids unitaire de l'eau)$\gamma_w$

Problème

Le problème est de déterminer le poids unitaire et la teneur en humidité après que l'échantillon de sol a été immergé et laissé gonfler de 5%.

Le détail clé de ce problème est:

Cet échantillon de sol compacté a ensuite été immergé dans l'eau .... Après deux semaines ...

Un échantillon de sol qui a été immergé dans l'eau pendant deux semaines peut / devrait être supposé ** comme étant saturé ( ); c'est-à-dire que tout l'air dans les espaces vides s'est échappé, et l'espace vide est maintenant rempli à 100% d'eau.$S=100\%$

La liste des propriétés des échantillons de sol qui peuvent être supposées rester constantes après immersion est assez courte:

• Densité,$G_s$
• Poids des solides,$W_s$

Toutes les autres propriétés, telles que la saturation, le poids unitaire, le poids unitaire sec, la teneur en eau / humidité, le rapport des vides, etc. dépendent du volume des vides et de la quantité d'eau dans le sol. La quantité d'eau (elle a été submergée) et le volume (elle a gonflé) ont changé, donc TOUTES ces propriétés changeront également.

Une fois que tout cela a été reconnu, la partie restante du problème est triviale:

• Nouveau poids unitaire humide:$\gamma_{new}=\gamma_{sat-new}=\frac{W_s+W_{w-new}}{V_{new}}=\frac{\gamma_{d-init}V_{init}+\gamma_w(V_{new}-V_{solids})}{V_{vew}}=\frac{\gamma_{d-init}V_{init}+\gamma_w(V_{new}-\frac{\gamma_{d}V_{init}}{G_s\gamma_w})}{V_{init}(1+5\%)}$
• Nouvelle teneur en humidité:$\omega_{new}=\frac{W_{w-new}}{W_{solids}}=\frac{\gamma_w(V_{new}-V_{solids})}{W_{solids}}=\frac{\gamma_w(V_{init}(1+5\%)-\frac{\gamma_{d}V_{init}}{G_s\gamma_w})}{\gamma_{d-init}V_{init}}$

Mécanisme du comportement de gonflement du sol

L'équation de contrainte efficace simplifiée est la suivante:

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

Où est la contrainte effective, est la contrainte totale et est la pression de l'eau interstitielle. σ $\sigma^{\prime}$$\sigma$$u$

L'équation ci-dessus suppose une condition statique. Cependant, lorsque l'équation de contrainte efficace simplifiée est déséquilibrée, une condition dynamique se produit et le sol doit soit se consolider (c'est-à-dire "rétrécir"), soit gonfler. Le gonflement du sol se produit lorsque les deux côtés de l'équation de contrainte efficace simplifiée ne sont pas équilibrés et:

1. Il y a une pression positive de l'eau interstitielle à l'intérieur de l'espace vide du sol, et
2. la contrainte effective à l' intérieur de la matrice du sol est supérieure à la contrainte totale appliquée à l'extérieur moins la pression de l'eau interstitielle.

Autrement dit: lorsqu'un sol est compacté, une certaine quantité de contrainte totale est appliquée. Une fois l'équilibre atteint, cette contrainte totale est associée à une combinaison de stress efficace et de pression interstitielle . Si la contrainte totale change, la combinaison précédente de la contrainte effective et de la pression interstitielle dans la matrice du sol demeure initialement, mais le déséquilibre qui en résulte doit se dissiper avec le temps. Pour que le déséquilibre se dissipe, les vides doivent soit augmenter de volume (gonflement), soit diminuer de volume (consolidation), selon la nature du déséquilibre.

Dans ce cas, la contrainte totale a été supprimée / réduite. La pression de l'eau interstitielle "pousse" contre les "parois" des pores de la matrice du sol (comme cela se produit toujours lorsque - même lorsque l'équation de contrainte efficace simplifiée est équilibrée). En raison de la réduction du stress total , il y a trop de stress interne (c'est-à-dire un stress efficace ) appliqué, et il doit être soulagé par une diminution de la * pression interstitielle * (c'est-à-dire une augmentation de volume). Ou dit autrement, la contrainte totale appliquée n'est pas suffisante pour empêcher les pores de se dilater en raison de la poussée de la pression interne de l' eau interstitielle . Par conséquent, le sol gonflera jusqu'à ce que cette condition déséquilibrée soit résolue.$u>0$

** Les raisons de cette hypothèse sont quelque peu compliquées et l'hypothèse n'est pas toujours exacte. Cependant, en général, l'hypothèse la plus prudente pour la plupart des problèmes de mécanique / géotechnique des sols est que le sol soit saturé. Par conséquent, s'il y a des raisons de croire que le sol peut être saturé, même en cas d'incertitude, nous supposons presque toujours que le sol est en fait saturé.

Regardez le diagramme typique du sol montrant le sol / l'eau / l'air:

Facile

En y pensant de façon simpliste, les éléments qui pourraient changer:

• La masse du sol ne peut pas changer. Aucun sol n'a été ajouté. Il serait bon de supposer qu'aucune réaction chimique majeure ne s'est produite non plus.
• La masse d'eau peut changer. Il était assis dans l'eau.
• L'air ne peut pas augmenter si l'échantillon a été immergé. Ignorez encore une fois toutes les réactions chimiques majeures qui pourraient créer du gaz.
• La masse et le volume ont un rapport bien défini pour chaque substance.

À partir de ces éléments, le seul moyen d'augmenter le volume serait d'augmenter le volume d'eau. Cela signifierait une augmentation du volume des vides.

C'est la façon simple (peut-être naïve) d'y penser.

C'est également là que les limites d'Atterberg entrent en jeu. Ils définissent le contenu en eau où les propriétés physiques du sol changent.

Compliqué

La façon la plus compliquée de penser au système serait d'envisager des modifications chimiques du sol. Sans être trop précis sur des éléments que je ne suis pas qualifié pour expliquer, il est possible que des réactions chimiques se produisent et que le volume du sol augmente de lui-même. Pensez à la façon dont la rouille est une réaction chimique qui fait augmenter efficacement le volume de l'acier. Cela changerait également la masse.

L'inclusion de réactions chimiques dans le mélange crée des questions comme:

• Est-il judicieux de comparer les propriétés de ce nouveau composé du sol à l' ancien composé du sol?
• La réaction est-elle réversible? Par exemple, le séchage de l'échantillon fait-il tout revenir aux masses et volumes d'origine?

Sans plus de contraintes sur ce avec quoi nous travaillons, il est difficile de donner une réponse définitive.