مقاله درمورد فرایند ترکیب

دانلود پایان نامه ارشد

خزش میباشد. خزش دارای گونههای مختلفی است که ازجمله خزش خمیری را میتوان نام برد. خزش خمیری پدیدهای برگشتناپذیر و دائمی است که میتوان آن را مشابه رسیدن به حالت خمیری فلز دانست. در بسیاری از حالات ایجاد تغییرشکلهای خمیری به علت خزش، نه تنها تغییر اندازه تنش، بلکه به‌طورکلی تغییر توزیع تنش در جسم را به همراه خواهد داشت. هنگامیکه تغییرشکلهای جسم در نقاطی از آن به علت قیود و درگیریهای حدی محدود شده باشد، تغییرات تنش در اثر خزش چشمگیرتر خواهد بود. در این حالت تغییرشکلهای کشسانی جسم که در آغاز بارگذاری ایجاد شده است، با گذشت زمان پیوسته کاهش مییابد و درنتیجه تغییرشکلهای خمیری رو به رشد خواهد گذاشت. این پدیده سبب کاهش تنش در جسم میشود. افت شدت تنش در جسم به علت کاهش تدریجی تغییرشکل کشسانی و افزایش تدریجی تغییرشکلهای خمیری در شرایطی که تغییرشکل کلی ثابت است؛ پدیده آسودگی نامیده میشود. برای آشنا شدن با خصوصیات خزش در یک ماده، کافی است نمونهای از آن ماده تحت تنش ثابت قرار داده شود و تغییرات تغییرشکل نسبی آن با زمان مورد بررسی قرار گیرد.
از دیدگاه انرژی میتوان چنین توجیه نمود که اگر جسمی در معرض اعمال تغییر شرایط حدی مثل اعمال بار قرار گیرد، سطح انرژی در آن ماده تغییر نموده و بر اساس اصل پایداری سطح انرژی در طبیعت در قالب حداقل شدن، به‌تدریج جسم مورد نظر شرایط خویش را به‌گونه‌ای تغییر میدهد تا سطح انرژی داخلی خویش را به حداقل ممکن که حالت پایداری دائمی را در بردارد، برساند.

3-8-2- مبانی نظری
خزش انحرافی یا همان خزش برشی، یک تغییرشکل برشی وابسته به زمان است که از تنش برشی ثابت ناشی میشود. خزش برشی عموماً میتواند به‌عنوان بازآرایش متقابل دانههای خاک توصیف شود؛ یعنی تغییرات ادامهدار ساختار خاک با بازآرایش متقابل تماسها و نیروهای وارد بر سطوح تماس. در مقایسه با رفتار خزش حجمی که برای خاک منحصربه‌فرد است (به دلیل فرایند ترکیبی بازآرایش دانههای خاک و خروج آب از آن)، طبیعت رفتار خزش برشی خاک کم‌وبیش مشابه مواد دیگر است. بااین‌حال در طبیعت خزش برشی معمولاً به‌صورت همزمان با خزش حجمی رخ میدهد (هاول، 2004).
برخلاف خزش حجمی، خزش برشی میتواند منجر به گسیختگی تحت شرایط خاصی باشد. مستعدترین مواد در امر خزش، رسهای نرم حساس و اشباع تحت شرایط زهکشی نشده و رسهای شدیداً بیشتحکیم یافته تحت شرایط زهکشیشده هستند. سایر تأثیرات خزش برشی شامل تغییر مقاومت که با تغییر در تنش مؤثر ناشی از تغییر فشار منفذی در طول خزش زهکشینشده است، یا تغییرات تخلخل به‌عنوان نتیجه تغییر حجم در طول خزش زهکشیشده است. تصویری از این فرایند با مسیرهای تنش مربوطه را میتوان در شکل 3-22 مشاهده نمود. بر اساس این واقعیتها، میتوان اهمیت خزش برشی را در تحلیل مسائل پایداری خاک، مانند ظرفیت باربری یا پایداری شیروانیها، درک نمود.

شکل 3-22: تأثیر خزش زهکشینشده بر مقاومت رس عادی تحکیمیافته (میشل، 1993)

مهمترین اختلاف بین خزش حجمی و برشی احتمال رخ دادن خزش ثانویه و ثالثیه (خزش مرحلهی سوم) است که به مقدار بسیج نیروی برشی، نوع خاک و شرایط مرزی بستگی دارد. برآورد منحنی جریان خزش، یعنی خزش ثانویه نسبتاً آسان است، زیرا رابطهای خطی بین تغییرشکل خزشی و زمان وجود دارد. رخ دادن خزش مرحلهی سوم منجر به گسیختگی میشود، به شرطی که تنش برشی کاهش داده نشود؛ بنابراین یکی از مسائل عمده در مورد رفتار خزش برشی پیدا کردن مقادیر بسیج برش که محدودکنندهی رخ دادن خزش ثانویه و مرحلهی سوم است، یعنی مقادیر تنش برشی توصیفکنندهی شروع خزش ثانویه و مرحلهی سوم، میباشد. به بیان ساده، لازم است که مرزهایی که خزش اولیه به خزش ثانویه و متعاقباً به خزش مرحلهی سوم تغییر مینماید که منجر به از دست رفتن مقاومت مواد میشود را تعیین کنیم. برای پاسخ به این سؤال لازم است تا رفتار خزش برشی مواد اصلی، در اینجا خاک رسی را تحت مقادیر مختلف تنش برشی (مقادیر مختلف بسیج برش) مطالعه نماییم.
آزمایشهای خزش برشی متعددی توسط پژوهشگران مختلف انجام شده است. بر اساس دستگاه استفاده شده، میتوانیم این آزمایشها را به دو گروه عمده تقسیم نماییم: آزمایشهای خزش برشی انجامشده توسط دستگاه برش مستقیم و آزمایشهای انجامشده توسط دستگاه سهمحوری.
ازآنجایی‌که در این پایاننامه برای آزمایشهای خزش برشی فقط از دستگاه برش مستقیم استفاده شده است، از توضیح دستگاه سهمحوری صرف‌نظر کرده‌ایم. در ادامه توصیف روند کار در آزمایش برش مستقیم، طبیعت آزمایشها، توصیف کامل ابزار، مثالهایی از رفتار خزش برشی تحت شرایط معین و ارزیابی آنها آمده است.

3-8-3- آزمایش خزش در خاک
با توجه به طبیعت دانهای بودن خاکها، رفتار زمانی در اینگونه مواد غالباً آثار قابلتوجهی دارد، خصوصاً خزش خاکها مورد توجه متخصصان میباشد. در بسیاری از خاکها از قبیل رس، شیست، خاک ریختهگری و غیره پدیدهی خزش مشاهده میشود.
علت اصلی پدیدهی خزش در خاک، امکان الزام تغییر سطح انرژی به تراز حداقل در طبیعت است. گروهی از محققین معتقدند علت خزش در خاک، بخصوص در خاکهای ریزدانه، تحکیم ثانویه، ناشی از تغییر آرایش تدریجی دانهها و حتی قدری ناپدید شدن آب باقیمانده در خاک بعد از تحکیم اولیه و تجزیهی مواد شیمیایی موجود در خاک میباشد. برای نشان دادن این پدیده به‌گونه‌ای تجربی، نمونهای از خاک را سریعاً تحت بار ثابت بارگذاری کرده و تغییرشکل آن در طول زمان اندازهگیری میشود. در این آزمایش میزان بار ثابت به‌صورت درصدی از مقاومت نهایی نمونه انتخاب میشود. از انجام این آزمایش که به آزمایش خزش معروف است، میتوان در حالت عمومی برای نمونههای مختلف خاک دارای رفتار خزش، منحنی مشابه شکل 3-23 را نتیجه گرفت.

شکل 3-23: منحنی رفتاری نمونهی خاک در آزمایش خزش (هاول، 2004)

همانطور که در شکل 3-23 مشاهده میشود، سه ناحیه مختلف را میتوان در این منحنی از هم تفکیک کرد:

الف) ناحیه AB:
چنانچه مقدار بار ثابت وارد بر نمونهی خاک، درصد کوچکی از مقاومت آن باشد، نمونه، رفتاری مطابق این بخش از منحنی خزش از خود نشان میدهد. بلافاصله پس از بارگذاری کرنش OA در نمونه ایجاد میگردد که به آن کرنش آنی میگویند. با توجه به بارگذاری سریع انجام شده، تغییرشکلهای زمانی در این ناحیه ناچیز است. پس‌ازاین مرحله، با افزایش زمان، بر مقدار کرنش افزوده میشود. در ناحیه AB، شیب منحنی دارای یک روند کاهشی است. اگر در این بخش از منحنی، باربرداری سریع انجام گردد، مطابق قسمت B-C-D، ابتدا بلافاصله کرنش آنی از بین رفته و رفتار کشسان تابع زمان مشاهده میشود که به آن رفتار گرانرو کشسان یا ویسکوالاستیک میگویند. در این بخش از منحنی، پس از باربرداری هیچگونه تغییرشکل ماندگار در نمونه باقی نمیماند، لذا این قسمت از منحنی، ناحیه خزش میرا، خزش برگشتپذیر یا ناحیه خزش اولیه نامیده میشود.

ب) ناحیه BE:
اگر مقدار بار ثابت وارد بر نمونهی خاک حدوداً بیش از 50% مقاومت نهایی آن باشد، رفتاری مطابق این بخش از منحنی خزش دیده میشود. آهنگ افزایش کرنش با گذشت زمان در این ناحیه تقریباً خطی است، به همین علت آن را خزش پایدار مینامند. هنگام باربرداری رفتاری مطابق قسمت F-G-H مشاهده میشود. در این قسمت نیز بلافاصله پس از باربرداری، کرنش آنی از بین رفته و با گذشت زمان از مقدار کرنش کاسته میشود؛ اما هیچگاه کل مقدار کرنش باقیمانده در ماده به صفر نخواهد رسید؛ و نهایتاً مقداری کرنش دائمی در نمونه باقی میماند. این قسمت از منحنی، ناحیهی خزش خمیری یا خزش ثانویه نامیده میشود.

پ) ناحیه EI:
درصورتی‌که مقدار بار ثابت وارد بر نمونهی خاک حدوداً بیش از 90% مقاومت نهایی آن باشد، رفتاری مطابق این بخش از منحنی خزش، مشاهده میشود. در این ناحیه آهنگ افزایش کرنش در زمان بسیار زیاد بوده و منحنی دارای شیب تندی با روند افزایشی میباشد. در این حالت در هر لحظه ممکن است نمونه مقاومت خویش را از دست داده و شکست حاصل گردد. این قسمت از منحنی، مرحلهی سوم خزش نامیده میشود. چگونگی رفتار ماده در این مرحله به‌خوبی شناخته نشده است. در طراحی سازهها، بایستی بار به حدی نرسد که سازه رفتاری مطابق این بخش منحنی از خود نشان دهد.
پدیدهی خزش در مهندسی مکانیک خاک حائز اهمیت است و بایستی در شرایطی که اثر گذشت زمان وجود دارد، دقیقاً بررسی شود. نشست زمانی و بعضاً نامتقارن شالودهی سازهها به‌ویژه سازههای بزرگ احداثشده بر روی سطوح شیبدار، مشکلات فراوانی را ازجمله امکان ایجاد ترک، افزایش تنشها و تغییرشکلها در اعضای سازه و نهایتاً عدم کارایی و استفادهی مناسب از سازه را به همراه دارد. برای بررسی پدیدهی خزش در مهندسی مکانیک خاک، ابتدا بایستی رفتار حاصل از این پدیده را به‌طور تجربی و آزمایشگاهی برای نمونهی مورد نظر شناسایی نمود، سپس درصورت امکان با ارائهی الگوی ریاضی به تحلیل و بررسی آن پرداخت.

3-8-4- آزمایش خزش با دستگاه برش مستقیم
سادهترین تغییرشکل شامل تغییرشکل بدون تغییر حجم، ناشی از اعمال تنش برشی، به‌طور عمومی، برش خالص نامیده میشود. در مورد مواد خاکی، برش خالص معمولاً در طبیعت رخ نمیدهد و سادهترین حالت تغییرشکل برشی، برش ساده است. تصویر نمونهی خاک تحت برش ساده در شکل 3-24 آمده است. قابل مشاهده است که در برش ساده، تنشهای قائم ، و با دو تنش برشی و اعمال شده است و سایر مؤلفه‌های برشی برابر با صفر است؛ بنابراین در این مورد، نمونهی خاک علاوهبر تغییرشکل (کرنش برشی)، کرنش حجمی، ناشی از تنشهای قائم، نیز از خود نشان میدهد.

شکل 3-24: نمودار حالت تنش در یک جزء خاک تحت برش ساده (هاول، 2004)

آزمایشهای برش ساده به‌طور گستردهای در سراسر جهان در آزمایشگاههای ژئوتکنیک، برای ارزیابی مقاومت برشی و بررسی رفتار پس از اوج مورد استفاده قرار میگیرد. به‌طورکلی آزمایش برش ساده، با عنوان آزمایش برش مستقیم و ابزار آزمایشگاهی مورد استفاده در این آزمایش، با عنوان دستگاه برش مستقیم شناخته میشود. تصویری از سادهترین نوع دستگاه برش مستقیم در شکل 3-25 نشان داده شده است. طرز کار کلی این آزمایش، در مورد مواد خاکی را میتوان به دو مرحلهی عمده تقسیم نمود. مرحلهی اول، اعمال تنش قائم به‌منظور تحکیم خاک است. بعد از تحکیم (در مورد آزمایش برش مستقیم، به‌طور عمده منظور پایان تحکیم اولیه، یعنی زایل شدن فشار آب منفذی است)، نمونه به‌تدریج برش داده میشود. بسته به ابزار، آزمایش برش مستقیم میتواند به‌صورت کنترل کرنش یا کنترل تنش انجام شود. مزیت اصلی آزمایش برش مستقیم، سادگی آن است. آزمایشهای تحت برش ساده به بهترین صورت شرایط واقعی برش ممکن در ساختار خاک را منعکس مینمایند، زیرا این آزمایش شواهد متقاعدکننده و قابل رویتی را از گسیختگی برشی مهیا مینماید. اگر شرایط زهکشی به‌خوبی حفظ شود، نتایج آن با نتایج به‌دست‌آمده از آزمایشهای تراکمی در دستگاه سهمحوری تطابق کامل دارد (ماسلو89، 1935). بااین‌حال، چندین عیب در آزمایش برش مستقیم وجود دارد که مهمترین آن این است که شرایط زهکشی قابل‌کنترل نیست و تنش برشی در صفحهی گسیختگی یکنواخت نیست (کرائیج90، 1992).

شکل 3-25: نمایی از دستگاه برش مستقیم (داس، 2000)

انواع مختلفی از دستگاههای آزمایشگاهی توسعهیافته برای آزمایش خاکهای رسی تحت برش ساده وجود دارد. در کنار دستگاه برش مستقیم کلاسیک معرفیشده، دستگاه برش دوبل، دستگاه برش استوانهای، دستگاه برش حلقه، دستگاه پیچش برای آزمایش نمونههای توخالی یا جامد، برش آزاد یا برش استوانهای و غیره وجود دارد (مسچیان، 1995).
مسئله‌ی اصلی در مورد رفتار خزش برشی، ارزیابی تنشهای برشی حدی است، یعنی مقادیر تنشهای برشی محدودکنندهی رخ دادن خزش اولیه، ثانویه و مرحلهی سوم. برای پاسخ به این سؤال لازم است که رفتار مواد رسی در طول آزمایش خزش برشی، مورد بررسی قرار گیرد.

پایان نامه
Previous Entries مقاله درمورد اصطلاحات مش Next Entries مقاله درمورد نیاز به شناخت