Evaluation of state of fine sands on the basis of shear wave velocity

• Autorzy: Lipiński M. J. , Wdowska M. K.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2020.131801

Warianty tytułu

PL

Określenie stanu zagęszczenia piasków drobnych na podstawie prędkości fali poprzecznej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents an approach to identify the state of fine sands on the basis of shear wave velocity measurement. Large body of experimental data was used to derive formulae which relate void ratio with shear wave velocity and mean effective stress for a given material. Two fine sands which contained 8 and 14% of fines were tested. The soils were tested in triaxial tests. Sands specimens were reconstituted in triaxial cell. In order to obtain predetermined void ratio values covering possible widest range of the parameter representing a very loose and dense state as well, the moist tamping method with use of undercompaction technique was adopted. Fully saturated soil underwent staged consolidation at the end of which shear wave velocity was measured. Since volume control of a specimen was enhanced by use of proximity transducers, representative 3 elements sets (i.e. void ratio e, mean effective stress p’ and shear wave velocity VS) describing state of material were obtained. Analysis of the test results revealed that relationship between shear wave velocity and mean effective stress p' can be approximated by power function in distinguished void ratio ranges. This made possible to derive formula for calculating void ratio for a given state of stress on the basis of shear wave velocity measurement. The conclusion concerning sensitivity of this approach to the fines content was presented.

PL

W zastosowaniach inżynierskich często wykorzystuje się związki empiryczne pomiędzy parametrami mechanicznymi a wskaźnikami określającymi stan gruntów. O ile w przypadku gruntów spoistych prawidłowa procedura pobrania próbek lub miarodajne - spełniające odpowiednie standardy – sondowanie, zapewnia realistyczną ocenę stanu gruntu, to dla gruntów niespoistych, zwłaszcza niejednorodnych pod względem uziarnienia, problem oceny stanu jest znacznie bardziej złożony. Zasadnicza trudność polega w tym przypadku na niemożności pobrania gruntu o strukturze nienaruszonej. W tej sytuacji istnieje potrzeba poszukiwania alternatywnych sposobów oceny stanu gruntu, które pozwoliłyby na rozwiązanie przedstawionych powyżej problemów. Przedstawiona praca prezentuje takie podejście oparte na wykorzystaniu pomiaru prędkości fali poprzecznej VS, czyli wielkości, która w największym stopniu zależy od wskaźnika porowatości i stanu naprężenia, określających stan gruntu niespoistego. Zastosowanie takiego podejścia możliwe jest dzięki zasadniczej różnicy w charakterystykach ściśliwości gruntów niespoistych i spoistych. W gruntach spoistych normalnie skonsolidowanych istnieje tylko jedna krzywa ściśliwości (materiałowa), podczas gdy w gruntach niespoistych jest ich nieskończenie wiele. Ta właściwość gruntów niespoistych stwarza przesłankę do wydzielenia wskaźnika porowatości i uzależnienia go od stanu naprężenia i prędkości fali poprzecznej. W artykule przedstawiono wyniki realizacji doświadczalnego programu ukierunkowanego na wyprowadzenie formuły, która wiąże wartości wskaźnika porowatości, prędkości fali poprzecznej i średniego naprężenia efektywnego dla danego rodzaju gruntu. Badania przeprowadzono dla dwóch rodzajów piasku drobnego zawierającego 8 i 14% frakcji drobnej. Badania przeprowadzono w aparacie trójosiowego ściskania. Próbki gruntu były rekonstruowane w komorze aparatu trójosiowego. W celu uzyskania szerokiego zakresu wskaźnika porowatości początkowej, obejmującego stan gruntu od luźnego po bardzo zagęszczony, próbki rekonstruowano metodą ubijania wilgotnego materiału w warstwach z wykorzystaniem techniki niedogęszczania. Po całkowitym nasączeniu próbki, grunt konsolidowano etapowo. Na koniec każdego etapu wykonywano pomiary prędkości fali poprzecznej. Wykorzystanie wewnątrzkomorowego systemu do pomiaru przemieszczeń próbki umożliwiło bardzo precyzyjny pomiar zmian wskaźnika porowatości. W ten sposób otrzymano dla każdego etapu konsolidacji trójki liczb reprezentujących stan gruntu a określających wskaźnik porowatości e, prędkość fali poprzecznej VS oraz średnie naprężenie efektywne p'. Analiza uzyskanych danych wykazała, że relacja pomiędzy prędkością fali poprzecznej a średnim naprężeniem efektywnym może być aproksymowana funkcją potęgową dla wyróżnionych zakresów wskaźnika porowatości. To pozwoliło na wyprowadzenie formuły określającej wartość wskaźnika porowatości na podstawie stanu naprężenia i prędkości fali poprzecznej. W dyskusji wyników określono wrażliwość prezentowanego podejścia na zawartość frakcji drobnej w badanych piaskach.

Słowa kluczowe

EN

shear wave; velocity; fine sand; soil state; triaxial test

PL

prędkość; fala poprzeczna; piasek drobny; stan gruntu; badanie trójosiowe

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 66, nr 2
• Strony: 135--146
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., il.

Twórcy

autor

Lipiński M. J.

• Warsaw University of Life Sciences-SGGW, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Warsaw, Poland

autor

Wdowska M. K.

• Warsaw University of Life Sciences-SGGW, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Warsaw, Poland

Bibliografia

• 1. M. Jamiołkowski, “Soil mechanics and the observational method: challenges at the Zelazny Most copper tailings disposal facility”, Géotechnique 64, No. 8, pp. 590-619, 2014.
• 2. G. Viggiani, J.H. Atkinson, “Stiffness of grained soil at very small strain”, Géotechnique 45, pp. 249-265, 1995.
• 3. M. A. Kassab, A. Weller, “Porosity estimation from compressional wave velocity: A study based on Egyptian sandstone formations”, Journal of Petroleum Science and Engineering, Vol. 78, Issue 2, pp. 310-315, 2011.
• 4. O. Uyanik, “Estimation of the porosity of clay soils using seismic P-and S-wave velocities”, Journal of Applied Geophysics, Vol.170, art. 103832, 2019.
• 5. B.O. Hardin, F.E.JR. Richart, “Elastic wave velocities in granular soils”, Journal of the Soil Mechanics and Foundation Engineering”, ASCE, vol. 89(1), pp. 33-65, 1963.
• 6. S.K. Roesler, “Anisotropic shear wave modulus due to stress anisotropy”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, vol. 105(7), pp. 871-880, 1979.
• 7. M. Bellotti, M. Jamiolkowski, D.C.F. Lo Presti, D.A. O’Neil, “Anisotropy of small strain stiffness in Ticino sand”, Géotechnique, vol. 35 (2), pp. 99-112, 1995.
• 8. M. Jamiolkowski, R. Lancellotta, D.C.F Lo Presti, “Remarks on the stiffness at small strains of six Italian clays”, Proc. of the Intl. Symposium on the pre-failure deformation characteristics of geomaterials, Hokkaido, Japan., vol. 2, pp. 817-836, 1995.
• 9. A. Viana di Fonseca, C. Ferreira, M. Fahey, “A framework interpreting bender element tests combining timedomain and frequency-domain methods”, Geotechnical Testing Journal ASTM, vol. 32(2), pp. 91-107, 2009.
• 10. M.J. Lipinski, M. Wdowska, Ł. Jaroń, „Influence of Fines Content on Consolidation and Compressibility Characteristics of Granular Materials”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol. 245, art. 032062, pp. 1-10, 2017.
• 11. M.J. Lipinski, M. Wdowska, „Hybrid approach for evaluation of tailings on the basis of shear wave velocity measurement”, 18th International Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM 2018, Conference proceedings. Vol. 18, Hydrogeology, engineering geology and geotechnics. Nr 1.2, Science and technologies in geology, exploration and mining. - Sofia : STEF92 Technology Ltd., 325-332, 2018.
• 12. M.J. Lipinski, M. Wdowska, Ł. Jaroń, „Shear wave velocity for evaluation of state of cohesionless soils with fines”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol. 245, art. 032083, pp. 1-9, 2017.
• 13. M.J. Lipinski, M. Wdowska, A. Wudzka, “Capability of triaxial apparatus with respect to evaluation of nonlinearity of soil stiffness”, Archives of Civil Engineering, Vol. 66, No 1, pp. 69-80 , 2020.
• 14. R.S. Ladd, “Preparing test specimens using undercompaction”, Geotechnical Testing Journal ASTM , vol.1(1), pp. 16-23, 1978.
• 15. M.J. Lipinski, M. Wdowska, “Evaluation of void ratio of sands with various amount of fines on the basis of shear wave velocity measurement”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol. 471, art. 042026, pp. 1-10, 2019.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).