Experimental study of the anisotropic flow deformation and critical state of sand
Authors: Τριαντάφυλλος Παναγιώτης 
Published: September 2021

Η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού των γεωτεχνικών έργων και η ρεαλιστική ανάλυση των γεωτεχνικών προβλημάτων απαιτεί την εις βάθος κατανόηση της μηχανικής συμπεριφοράς των εδαφικών υλικών που υποβάλλονται σε σύνθετες μηχανικές καταπονήσεις. Η παρούσα εργασία θέτει ως στόχο την εκτέλεση πειραματικών δοκιμών σύνθετης φόρτισης στη συσκευή στρεπτικής διάτμησης κοίλου κυλινδρικού δοκιμίου ώστε να διερευνηθεί η επίδραση της ανισοτροπίας της εσωτερικής δομής στη μηχανική συμπεριφορά της άμμου. Συγκεκριμένα, εξετάστηκε ο τρόπος με τον οποίο η ανισοτροπία της εσωτερικής δομής επηρεάζει την τρωτότητα της άμμου έναντι ρευστοποίησης. Εκτελέστηκαν δοκιμές μονότονης φόρτισης σε ισότροπα στερεοποιημένη άμμο με σταθερή γωνία προσανατολισμού, α, του άξονα της μέγιστης κύριας τάσης, σ1, ως προς την κατακόρυφο κατεύθυνση απόθεσης, σταθερό λόγο ενδιάμεσης κύριας τάσης, b = (σ2 - σ3) / (σ1 - σ3), και σταθερή μέση ολική τάση, p. Σε ένα ξεχωριστό σύνολο πειραματικών δοκιμών μελετήθηκε η επίδραση της συνεχούς στροφής των κύριων αξόνων της τάσης στη μηχανική συμπεριφορά της ανισότροπα στερεοποιημένης άμμου. Κατά την στροφή των κύριων αξόνων της τάσης οι παράμετροι b και p διατηρήθηκαν σταθερές ενώ η αποκλίνουσα τάση, q, είτε αυξήθηκε μονότονα είτε διατηρήθηκε σταθερή. Με αυτόν τον τρόπο μελετήθηκε τόσο η επίδραση του ρυθμού της στροφής των κύριων αξόνων της τάσης όσο και του λόγου τάσεων στερεοποίησης, Kc = σ’3c / σ’1c. Αποδείχθηκε πειραματικά ότι ο αποκλίνων λόγος τάσεων, η = q / p’, στο σημείο εκκίνησης της ρευστοποίησης δεν είναι μία μοναδική συνάρτηση της γωνίας προσανατολισμού, α, της μέγιστης κύριας τάσης, όπως διατυπώνεται στη βιβλιογραφία, αλλά αντιθέτως εξαρτάται από την ιστορία φόρτισης. Το δεύτερο σκέλος της παρούσας διατριβής στοχεύει στο να δώσει απάντηση σε ένα πολύ σημαντικό ερώτημα που διατυπώθηκε πρόσφατα στη διεθνή βιβλιογραφία: είναι αναγκαία η αναθεώρηση της Θεωρίας Κρίσιμης Κατάστασης (ΘΚΚ) ώστε να λαμβάνει υπόψη την επίδραση της ανισοτροπίας της εσωτερικής δομής; Η ΘΚΚ αποτελεί το κύριο πλαίσιο ανάπτυξης καταστατικών προσομοιωμάτων της μηχανικής συμπεριφοράς των γεωϋλικών και άλλων κοκκωδών υλικών. Μολαταύτα, η ΘΚΚ δεν λαμβάνει υπόψη την επίδραση της ανισοτροπίας της εσωτερικής δομής στη συμπεριφορά των κοκκωδών υλικών στην κρίσιμη κατάσταση, η οποία είναι ιδιαίτερα σημαντική σύμφωνα με τα ευρήματα σύγχρονων μελετών. Για τον λόγο αυτό η Θεωρία Ανισοτροπικής Κρίσιμης Κατάστασης (ΘΑΚΚ) αναπτύχθηκε πρόσφατα, και προτάθηκε ένα ιδεατό πείραμα που αποδεικνύει ότι η ΘΑΚΚ επεκτείνει και καθιστά πλήρη την κλασσική ΘΚΚ. Σύμφωνα με το πείραμα αυτό ένα δοκίμιο άμμου υποβάλλεται σε μονότονη φόρτιση με παγιωμένους του κύριους άξονες τάσης μέχρι να φτάσει στην κρίσιμη κατάσταση. Ενώ η άμμος βρίσκεται στην κρίσιμη κατάσταση, επιβάλλεται στροφή των κύριων αξόνων της τάσης, με τις κύριες ενεργές τιμές της τάσης να διατηρούνται σταθερές. Το ερώτημα που τίθεται είναι αν το υλικό θα παραμείνει στην κρίσιμη κατάσταση ή θα την εγκαταλείψει. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής εκτελέστηκε μία αλληλουχία πειραματικών δοκιμών που προσεγγίζει προοδευτικά το ιδεατό πείραμα, αφού προηγουμένως προσδιορίστηκε η κρίσιμη κατάσταση της εξεταζόμενης άμμου. Τα πειραματικά αποτελέσματα υποστηρίζουν τον ισχυρισμό ότι η ΘΑΚΚ αποτελεί μία αναγκαία αναθεώρηση της κλασσικής ΘΚΚ. Επίσης, εδείχθει ότι τόσο η διαστολικότητα όσο και η μη-ομοαξονικότητα της άμμου εξαρτώνται από την ιστορία τάσεων και παραμορφώσεων. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι για τις ανάγκες της παρούσας έρευνας απαιτήθηκε η αναβάθμιση της συσκευής στρέψης κοίλου κυλινδρικού δοκιμίου του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και ότι οι δοκιμές φόρτισης που παρουσιάζονται στη διατριβή εκτελέστηκαν για πρώτη φορά στον Ελλαδικό χώρο.