مقاله درمورد نفوذپذیری، هیدرولیک، دینامیکی

دانلود پایان نامه ارشد

میشود. میزان آهنگ برشی اعمالی، بر اساس استفاده از تئوری تحکیم ترزاقی، برای اتلاف فشارهای آب حفرهای اضافی ناشی از برش، تخمین زده میشود (بیشاپ و هنکل83، 1962؛ بیشاپ و گیبسون84، 1963). مهم است که آزمایش طبقه‌بندی‌شده به‌عنوان زهکشیشده، واقعاً زهکشیشده باشد، زیرا در تفسیر نتایج آزمایش، فشار آب حفرهای ناشی از برش، برابر با صفر فرض شده است.

3-5-2- اهمیت
ایمنی سازههای ژئوتینیکی به مقاومت خاک وابسته است. اگر خاک گسیخته شود، سازهی بنا شده روی آن نیز شکسته میشود و جان ساکنان را به خطر میاندازد و منجر به خسارتهای مالی میشود. مقاومت خاکها بیشترین اهمیت را در مهندسی ژئوتکنیک دارد. کلمهی مقاومت، کمتر به معنی مقاومت برشی که مقاومت اصطکاکی داخلی خاک در برابر نیروهای برشی است، استفاده میشود (بودهو85، 2011). مقاومت برشی برای برآورد ظرفیت باربری خاکها و پایداری سازههای ژئوتکنیکی و تحلیل مشخصات تنش-کرنش خاکها مورد نیاز است.

3-5-3- عبارتهای کلیدی
مقاومت برشی خاک (): مقاومت داخلی حداکثر در برابر نیروهای برشی اعمال شده است.
زاویه اصطکاک مؤثر (): مقدار مقاومت برشی ناشی از اصطکاک خاکها است.
سیمانی شدن (): مقدار مقاومت برشی خاک ناشی از نیروی سیمانی شدن دانهها است.
کشش خاک (): مقدار مقاومت برشی ظاهری خاک در برابر مکش خاک (فشارهای آب منفذی منفی یا تنشهای موئینگی) است.
چسبندگی (): نیروهای بین‌مولکولی است.
مقاومت برشی زهکشینشده (): مقاومت برشی خاک هنگام برش داده شدن با حجم ثابت است.
چسبندگی ظاهری (): مقاومت برشی ظاهری در تنش مؤثر قائم صفر است.
حالت بحرانی: حالتی از تنش است که در صورت رخ دادن برش پیوسته در نسبت تنش برشی به تنش مؤثر قائم ثابت و حجم ثابت، اتفاق میافتد.
اتساع: مقدار تغییر حجم خاک در زمان شکست نمونه توسط برش را گویند.

3-5-4- پاسخ خاک در برابر نیروهای برشی
مقاومت برشی یک خاک، تاب آوردن آن در برابر تنشهای برشی است. رفتار خاکها در مواجهه با نیروهای برشی به دو صورت است. گروه اول که پیوندهای بین‌دانه‌ای ضعیفی دارند و خاکهای غیر سیمانی نامیده میشوند. گروه دیگر که دارای پیوندهای بین‌دانه‌ای قوی هستند و خاکهای سیمانیشده نام دارند. دانههای خاکهای سیمانیشده به‌صورت شیمیایی باهم پیوند دارند.
در ادامه ویژگیهای مهم واکنش دو گروه از خاکها در برابر یک تنش مؤثر قائم ثابت و کرنش برشی افزایشی تشریح شده است:
گروه اول- ماسههای ضعیف، رسهای عادی تحکیم یافته و آهسته پیشتحکیم یافته هستند. این خاکها افزایشی تدریجی را در تنشهای برشی، ناشی از افزایش کرنش برشی نشان میدهند تا به یک تنش برشی تقریباً ثابت برسند که در این صورت میگوییم به حالت بحرانی تنش برشی () رسیده است (شکل 3-14-a). همچنین این خاکها تحت تنشهای ذکر شده متراکم میشوند، یعنی چگالی آنها بیشتر میشود تا به یک نسبت تخلخل ثابت که آن را نسبت تخلخل بحرانی مینامیم، برسند (شکل 3-14-b و 3-14-c).
گروه دوم- ماسههای متراکم و رسهای شدیداً پیشتحکیم یافته است. در این خاکها شاهد افزایش سریع تنش تا رسیدن به یک مقدار حداکثر () در کرنشهای کوچک (در مقایسه با خاکهای گروه اول) هستیم و سپس کاهش تنش برشی با افزایش کرنش برشی و نهایتاً رسیدن به یک تنش برشی حالت بحرانی هستیم (شکل 3-14-a). همچنین در این خاکها شاهد تراکم اولیه (تعدیل و بازآرایش دانهها) و سپس انبساط، یعنی ضعیفتر شدن هستیم تا به یک نسبت تخلخل بحرانی برسیم (شکل 3-14-b و 3-14-c).
زمانی که یک گروه برشی در برخی از رسهای پیشتحکیم یافته توسعه مییابد، دانههای خاک به‌صورت موازی در راستای گروه برشی قرار میگیرند. این امر باعث میشود تنش برشی نهایی این رسها پایینتر از تنش برشی حالت بحرانی قرار بگیرد. این نوع از خاکها را در این پایاننامه، خاکهای گروه II-A و تنش برشی نهایی رخ داده را تنش برشی باقیمانده () نامیدهایم.
حالت بحرانی تنش برشی برای تمام خاکها زمانی رخ میدهد که تغییر حجم بیشتری را با ادامه دادن برش شاهد نباشیم. در ادامه تأثیر عوامل مختلف را بر پارامترهای مقاومتی خاک بررسی مینماییم.

شکل 3-14: واکنش خاکها در برابر برش (بودهو، 2011)

3-5-4-1- تأثیر افزایش تنش مؤثر قائم
برای خاک گروه اول، مقدار تراکم و اندازهی تنش برشی حالت بحرانی با افزایش تنش مؤثر قائم، افزایش مییابد. برای خاکهای گروه دوم، تنش برشی حداکثر با افزایش تنش مؤثر قائم رفتهرفته از بین میرود، تنش برشی حالت بحرانی افزایش مییابد و انبساط حجمی نمونه کاهش مییابد (شکل 3-15-a و 3-15-b).
اگر تنش برشی حداکثر و تنش برشی حالت بحرانی را برای هر تنش مؤثر قائم برای دو گروه خاک رسم نماییم شاهد موارد زیر خواهیم بود:
1- خط مستقیم تقریبی (OA در شکل 3-15-c) که تمام مقادیر تنش برشی حالت بحرانی خاکهای دو گروه را به هم متصل مینماید. زاویهی بین خط OA و محور ، زاویهی اصطکاک حالت بحرانی () میباشد. خط OA پوش منحنی گسیختگی است زیرا هر تنش برشی رسیده به آن، یک تنش برشی حالت بحرانی است.
2- یک منحنی (OBCA در شکل 3-15-c) که تمام مقادیر تنش برشی حداکثر را برای خاک گروه دوم به هم متصل مینماید. OBC (قسمت منحنی OBCA) پوش منحنی تنش برشی حداکثر میباشد زیرا هر تنش برشی که روی آن بیفتد، تنش برشی حداکثر خواهد بود.
در تنشهای مؤثر قائم بزرگ، تنش برشی حداکثر برای گروه دوم از بین میرود و تنها تنش برشی حالت بحرانی مشاهده میشود. برای خاکهای گروه II-A تنشهای برشی باقیمانده روی خط OD زیر خط OA میافتد. زاویهی بین OD و محور ، زاویه اصطکاک باقیمانده () نام دارد. با افزایش تنش مؤثر قائم، نسبت تخلخل بحرانی کاهش مییابد (شکل 3-15-d)؛ بنابراین نسبت تخلخل بحرانی به مقدار تنش مؤثر قائم وابسته است.

شکل 3-15: تأثیر افزایش تنش مؤثر قائم بر پاسخ و واکنش خاکها (بودهو، 2011)

3-5-4-2- تأثیر نسبت پیشتحکیمی
حالت اولیهی خاک، پاسخ خاک در برابر نیروهای برشی را به آن دیکته مینماید. برای مثال، دو خاک همگن پیشتحکیم یافته با نسبتهای پیشتحکیمی مختلف اما ترکیب معدنی کاملاً یکسان، تنشهای برشی حداکثر و انبساط حجمی مختلفی را از خود نشان میدهند. این امر در شکل 3-16 نشان داده شده است. خاکهایی که شدیدتر پیشتحکیم یافتهاند، مقاومت برشی حداکثر و انبساط حجمی بیشتری را از خود نشان میدهند.

شکل 3-16: تأثیر OCR بر مقاومت حداکثر و انبساط حجم (بودهو، 2011)

3-5-4-3- تأثیر زهکشی فشار آب منفذی
شرایط زهکشی زمانی رخ میدهد که فشار آب منفذی توسعهیافته در طول بارگذاری یک خاک، زایل شود، یعنی . شرایط زهکشینشده زمانی رخ میدهد که فشار آب منفذی، حداقل به‌صورت سریع، قادر به زهکشی شدن نباشد، یعنی . برقراری هر یک از شرایط ذکر شده به نوع خاک، آرایش ژئوتکنیکی (ترکها، وجود لایههای ماسه در رس و غیره) و آهنگ بارگذاری بستگی دارد. آهنگ بارگذاری تحت شرایط زهکشینشده اغلب سریعتر از آهنگ زایل شدن فشار آب منفذی است و درنتیجه تمایل خاک به تغییرحجم سرکوب میشود. نتیجهی این سرکوب تغییر فشار آب منفذی در طول برش است. یک خاک با تمایل به متراکم شدن در طول بارگذاری زهکشیشده، یک افزایش در فشار آب منفذی (فشار آب منفذی مثبت، شکل 3-17) تحت شرایط زهکشینشده خواهد بود که منجر به کاهش تنش مؤثر میشود. یک خاک که در طول بارگذاری زهکشیشده انبساط مییابد، کاهشی را در فشار آب منفذی تحت شرایط زهکشینشده خواهد داشت که منجر به افزایش تنش مؤثر میشود. چنین تغییراتی در فشار آب منفذی به دلیل عدم‌تغییر نسبت تخلخل در طول بارگذاری زهکشینشده رخ میدهد.
در طول عمر یک سازهی ژئوتکنیکی که شرایط بلندمدت نامیده میشود، فشار آب منفذی توسعهیافته با بارگذاری، زایل میشود و شرایط زهکشیشده اعمال میشود. این فرایند برای رسها معمولاً تا چندین سال زمان میبرد. در طول ساخت و تا مدت کوتاهی بعدازآن که شرایط کوتاهمدت نامیده میشود، خاکهای با نفوذپذیری کم (خاکهای ریزدانه) زمان کافی برای زایل شدن فشار آب منفذی را ندارند و شرایط زهکشینشده برای آنها اعمال میشود. هدایت هیدرولیکی خاکهای درشتدانه به‌اندازه کافی بزرگ است تا تحت بارگذاریهای استاتیکی، فشار آب منفذی سریعاً زایل شود. درنتیجه، شرایط زهکشینشده به خاکهای تمیز درشتدانه تحت بارگذاری استاتیکی اعمال نمیشود و فقط به خاکهای ریزدانه و یا مخلوطی از خاکهای ریزدانه و درشتدانه اعمال میشود. بارگذاری دینامیکی، مثلاً در حین وقوع زلزله تا حدی سریع اعمال میشوند که حتی خاکهای درشتدانه نیز زمان کافی برای زایل کردن فشار منفذی را ندارند.

شکل 3-17: تأثیر شرایط زهکشیشده و زهکشینشده بر تغییرات حجم (بودهو، 2011)

3-5-4-4- تأثیر چسبندگی
عبارت چسبندگی که اکثراً در مهندسی ژئوتکنیک استفاده میشود، یک مقاومت برشی ظاهری است که تأثیرات نیروهای بینمولکولی ()، کشش خاک () و سیمانته شدن () را بر مقاومت برشی خاکها نشان میدهد. در این بخش، این عوامل به‌صورت جداگانه مورد بررسی قرار گرفتهاند. چسبندگی () نشاندهنده تأثیر نیروهای بینمولکولی بر مقاومت برشی خاکها است. این نیروها سهم قابلتوجهی در مقاومت برشی ندارند و از آنها صرف‌نظر میشود. در نمودار تنش برشی حداکثر در مقابل تنش مؤثر قائم پس از برازش خط گذرنده از نقاط دادههای آزمایش برش، مقدار قابل مشاهده است (شکل 3-18).

شکل 3-18: پوش منحنی تنش برشی برای خاکها ناشی از چسبندگی، کشش خاک و سیمانته شدن (بودهو، 2011)

کشش خاک، ناشی از کشش صفحهی آب بر دانههای خاک در خاکهای غیراشباع، یک مقاومت برشی ظاهری را ایجاد میکند که اگر خاک اشباع شود، این مقاومت از بین میرود. برای خاک به‌عنوان یک مادهی اصطکاکی، افزایش تنش مؤثر قائم منجر به افزایش مقاومت برشی میشود. زاویهی اصطکاک داخلی یا زاویهی اصطکاک حالت بحرانی تغییری نمیکند. در استفاده از این مقاومت برشی اضافی، یعنی کشش خاک، در کاربردهای ژئوتکنیکی باید آگاهانه عمل نمود.
تقریباً همه خاکهای طبیعی دارای درجهای از سیمانته شدن هستند، یعنی دانههای خاک با پیوندهای شیمیایی به هم متصل شدهاند. محدودهی درجهی سیمانته شدن میتواند بسیار وسیع باشد. از مقاومت پیوندی خیلی ضعیف گرفته (حالتی که خاک با فشار انگشت خرد میشود) تا مقاومت صخرههای ضعیف. خاکهای سیمانته شده تا حدودی دارای مقاومت برشی هستند، حتی اگر تنش مؤثر قائم وارد بر آنها صفر باشد. مقاومت برشی ناشی از سیمانته شدن در کرنشهای کوچک (کمتر از 0/001%) قابل استفاده است. در اغلب سازهها، توده خاک در معرض کرنشهای برشی بیشتری از حد ذکر شده قرار میگیرد؛ بنابراین در استفاده از مقاومت برشی ناشی از سیمانته شدن باید دقت و دانش کافی داشت زیرا حالت سیمانی خاکها در کرنشهای بزرگ از بین میرود.

3-6- نمودار گسیختگی موهر و معادلهی گسیختگی کلمب
خاکها مانند اغلب مواد جامد دیگر، هم در کشش و هم در برش گسیخته میشوند. تنشهای کششی ممکن است باعث گشایش ترکهایی شود که تحت برخی شرایط دارای اهمیت عملی بوده و نامطلوب و زیانآور است. بااین‌حال در اغلب مسائل مهندسی، تنها گسیختگی ناشی از برش نیازمند ملاحظه است.
گسیختگی برشی در یک نقطه از توده خاک، در صفحهای گذرنده از این نقطه، زمانی رخ میدهد که یک ترکیب بحرانی از تنشهای برشی و قائم ایجاد شود. ابزارهای مختلفی برای تعیین و بررسی این ترکیبهای بحرانی توسعه داده شده است. در حال حاضر دستگاهی که به‌طور گسترده در این زمینه استفاده میشود، دستگاه سهمحوری است. از آنجاییکه فرض شده است تنها تنشهای اصلی به مرزهای نمونه اعمال میشود، حالت تنش در هر صفحهی دیگری به‌جز صفحههای اصلی باید به‌صورت غیرمستقیم تعیین شود.
با توجه به اصول مکانیک، تنش قائم و تنش برشی در یک صفحهای که دارای شیب با زاویه نسبت به صفحه تنش اصلی حداکثر و عمود بر صفحه تنش اصلی میانی باشد (شکل

پایان نامه
Previous Entries مقاله درمورد اکسیداسیون Next Entries مقاله درمورد اصطلاحات مش