土壌の膨潤と質量/体積の関係

与えられた含水率、固体の比重、初期体積、および重量。この圧縮土の湿潤単位重量、乾燥単位重量、および飽和度を計算するように求められます。これはすでに行われています。次に、この圧縮された土壌サンプルを水に浸しました。2週間後、サンプルが膨潤し、その総体積が5％増加したことがわかりました。次に、2週間水に浸した後の土壌サンプルの新しい単位重量と含水率を計算するように求められます。

含水率と総体積は変化することが知られていますが、水没中にどのような特性が一定のままですか？S（r）を1として使用できますか？

圧縮された土壌サンプルを説明する情報は次のとおりです。

• 初期含水率、$\omega_{init}$
• 比重、$G_s$
• 初期ボリューム、$V_{init}$
• 初期の重み、$W_{init}$

完全を期すために、次の情報はすでに決定されています。

• $\gamma_{wet}$$\gamma_{wet}=\frac{W_{init}}{V_{init}}$
• $\gamma_{d-init}$$\gamma_{d-init}=\frac{\gamma_{wet}}{1+\omega_{init}}$
• $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}}$

$\gamma_w$

問題

問題は、土壌サンプルを水に浸して5％膨潤させた後、単位重量と含水率を決定することです。

この問題の主な詳細は次のとおりです。

次に、この固めた土壌サンプルを水に浸しました。2週間後...

$S=100\%$

浸水後も一定であると想定できる土壌サンプルの特性のリストはかなり短いです：

• $G_s$
• $W_s$

飽和、単位重量、乾燥単位重量、水分/含水量、空隙率など、その他のすべての特性は、空隙の量と土壌中の水の量に依存します。水の量（水没した）と水量（膨潤した）の両方が変化したため、これらのプロパティもすべて変化します。

これがすべて認識されると、問題の残りの部分は簡単になります。

• $\gamma_{new}=\gamma_{sat-new}=\frac{W_s+W_{w-new}}{V_{new}}=\frac{\gamma_{d-init}V_{init}+\gamma_w(V_{new}-V_{solids})}{V_{vew}}=\frac{\gamma_{d-init}V_{init}+\gamma_w(V_{new}-\frac{\gamma_{d}V_{init}}{G_s\gamma_w})}{V_{init}(1+5\%)}$
• $\omega_{new}=\frac{W_{w-new}}{W_{solids}}=\frac{\gamma_w(V_{new}-V_{solids})}{W_{solids}}=\frac{\gamma_w(V_{init}(1+5\%)-\frac{\gamma_{d}V_{init}}{G_s\gamma_w})}{\gamma_{d-init}V_{init}}$

土壌膨潤挙動のメカニズム

簡略化された有効応力の方程式は次のとおりです。

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

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

上記の式は静的な状態を前提としています。ただし、単純化された有効応力の方程式が不均衡である場合、動的条件が発生し、土壌は固まる（つまり、「収縮する」）か、膨潤する必要があります。土の膨張は、単純化された有効応力方程式の2つの側のバランスが取れていない場合に発生します。

1. 土壌のボイドスペース内に正の間隙水圧があり、
2. 土壌マトリックス内の有効応力は、外部から加えられた全応力から間隙水圧を差し引いたものよりも大きくなります。

別の言い方をすると、土壌が圧縮されると、ある程度の総応力がかかります。平衡が達成されると、この総応力は、有効応力と間隙水圧のいくつかの組み合わせに関連付けられます。総応力が変化した場合、有効な応力と土壌マトリックス内の間隙水圧の以前の組み合わせは最初は残りますが、これによって引き起こされる不均衡は時間とともに消散しなければなりません。不均衡を解消するためには、不均衡の性質に応じて、ボイドの体積が増加する（膨張する）か、体積が減少する（圧密）必要があります。

$u>0$

**この仮定の理由はやや複雑であり、仮定が常に正確であるとは限りません。ただし、一般的に、ほとんどの土壌力学/地盤工学問題の最も保守的な仮定は、土壌が飽和していることです。したがって、土壌が飽和している可能性があると考える理由がある場合、たとえ不確実性があったとしても、ほとんど常に土壌が実際に飽和していると想定します。

土壌/水/空気を示す土壌の典型的な図を見てください：

シンプルな

変更する可能性のある項目について単純化して考えます。

• 土壌の質量は変化しません。土は追加されませんでした。主要な化学反応も起こらなかったと仮定するとよいでしょう。
• 水量は変化する可能性があります。それは水中に座っていました。
• サンプルが水没した場合、空気は増加しません。ガスを生成する可能性のある主要な化学反応をもう一度無視してください。
• 質量と体積は、各物質に対して明確に定義された比率を持っています。

これらの項目から、その量を増やすことができる唯一の方法は、水の量が増加した場合です。これはボイドの量が増えることを意味します。

それはそれについて考えるための単純な（多分素朴な）方法です。

これは、アッターバーグリミットが効力を発揮する場所でもあります。それらは土壌の物理的性質が変化する水分量を定義します。

複雑な

システムについて考えるより複雑な方法は、土壌への化学変化を考慮することです。私が説明する資格がない項目について具体的にしすぎない限り、土壌の体積がそれ自体増加する原因となる化学反応が発生する可能性があります。錆が鋼の体積を効果的に増加させる化学反応であると考えてください。これにより、質量も変化します。

化学反応をミックスに含めると、次のような質問が生じます。

• この新しい土壌化合物の特性を古い土壌化合物と比較することは意味がありますか？
• 反応は可逆的ですか？たとえば、サンプルを乾燥させると、すべてが元の質量と体積に戻りますか？

私たちが取り組んでいることにさらなる制約がなければ、明確な答えを出すことは困難です。