Η μελέτη εξηγεί γιατί το έδαφος και η άμμος γίνονται ισχυρότερα όταν χτυπηθούν σκληρότερα

Μια ομάδα επιστημόνων από το Ινστιτούτο Βιομηχανικών Επιστημών του Πανεπιστημίου του Τόκιο (IIS) αποκάλυψε πρόσφατα τον μηχανισμό πίσω από το φαινόμενο του εδάφους και της άμμου να γίνει ισχυρότερη όταν χτυπάνε επανειλημμένα. Αυτό το εύρημα έχει σημαντικές επιπτώσεις στην κατανόηση και την πρόβλεψη της συμπεριφοράς του εδάφους και της άμμου σε διάφορες εφαρμογές μηχανικής, συμπεριλαμβανομένης της οδικής κατασκευής, της σταθεροποίησης της κλίσης και της μηχανικής σεισμού.

Όταν μια δύναμη εφαρμόζεται στο έδαφος ή στην άμμο, τα σωματίδια αναδιατάνονται για να σχηματίσουν μια πυκνότερη συσκευασία, με αποτέλεσμα αυξημένη αντοχή. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως πυκνότητα εδάφους. Ωστόσο, ο ακριβής μηχανισμός με τον οποίο η επαναλαμβανόμενη εντυπωσιακή ενισχύει την πυκνότητα του εδάφους δεν ήταν καλά κατανοητός.

Για να διερευνηθεί αυτό, η ερευνητική ομάδα του IIS διεξήγαγε μια σειρά πειραμάτων χρησιμοποιώντας μια ειδικά σχεδιασμένη μηχανή δοκιμών επιπτώσεων. Έριξαν μια χαλύβδινη μπάλα από διαφορετικά ύψη σε δείγμα άμμου και μέτρησαν τη δύναμη που απαιτείται για να διεισδύσει στην άμμο. Η ομάδα παρατήρησε ότι η αντίσταση διείσδυσης αυξήθηκε με την ενέργεια κρούσης, υποδεικνύοντας ότι η άμμος έγινε ισχυρότερη καθώς χτυπήθηκε πιο σκληρή.

Για να αποκτήσουν γνώσεις σχετικά με τους υποκείμενους μηχανισμούς, η ομάδα πραγματοποίησε περαιτέρω πειράματα χρησιμοποιώντας σάρωσης υψηλής ταχύτητας και σάρωσης υπολογιστικής τομογραφίας ακτίνων Χ (CT). Οι εγγραφές κάμερας υψηλής ταχύτητας αποκάλυψαν ότι η επίδραση της χαλύβδινης μπάλας παρήγαγε κύματα υψηλής ταχύτητας που διαδόθηκαν μέσω της άμμου. Αυτά τα κύματα σοκ προκάλεσαν αναδιάταξη και πυκνότητα σωματιδίων, με αποτέλεσμα την αυξημένη αντοχή στο έδαφος.

Οι σαρώσεις CT ακτίνων Χ παρείχαν λεπτομερείς εικόνες της εσωτερικής δομής του δείγματος άμμου πριν και μετά την κρούση. Οι εικόνες επιβεβαίωσαν την αναδιάταξη των σωματιδίων άμμου και έδειξαν τον σχηματισμό πυκνότερων περιοχών εντός του δείγματος. Αυτές οι πυκνότερες περιοχές συνέβαλαν στη συνολική αύξηση της αντοχής του εδάφους.

Τα ευρήματα της ομάδας παρέχουν πολύτιμες γνώσεις σχετικά με τη συμπεριφορά του εδάφους και της άμμου κάτω από επαναλαμβανόμενη φόρτιση κρούσης. Η κατανόηση αυτού του μηχανισμού είναι απαραίτητη για το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση των δομών που αλληλεπιδρούν με το έδαφος ή την άμμο, όπως τα θεμέλια, τα ανάχωμα και τις οδικές βάσεις. Λαμβάνοντας υπόψη τις επιδράσεις της επαναλαμβανόμενης φόρτωσης των επιπτώσεων, οι μηχανικοί μπορούν να εξασφαλίσουν την ασφάλεια και την ακεραιότητα αυτών των δομών σε διάφορες εφαρμογές.

Τα ευρήματα της έρευνας δημοσιεύονται στο διάσημο περιοδικό "Nature Communications" και αντιπροσωπεύουν μια σημαντική πρόοδο στην κατανόηση της μηχανικής του εδάφους και της γεωτεχνικής μηχανικής.