مفهوم حالت بحرانی در مدلسازی رفتار خاکها مورد استفاده قرار میگیرد. حالت بحرانی یا ثابت به حالتی اطلاق می شود که در آن خاک در اثر بروز تغییرشکلهای برشی زیاد به شرایطی میرسد که تغییری در تنشها و تغییر حجم خاک به وجود نمیآید و خاک می تواند با سرعت ثابتی به تغییرشکل برشی خود ادامه دهد. خط حالت بحرانی بهصورت مکان هندسی در فضای نسبت تخلخل در مقابل تنش مؤثر متوسط تعریف می شود. برای خاکهای ریزدانه (رس) با انجام آزمایش تراکم نمودار مانند شکل ۳-۱۳ میباشد که به حالت خطی است. در تراکم ایزوتروپیک و یکبعدی در فضای نیمهلگاریتمی رابطه بین نسبت تخلخل و تنش مؤثر همسان، حالت خطی دارد. در این حالت (ترزاقی، ۱۹۴۳):
شکل ۳-۱۳: تأثیر نسبت افزایش بار بر روی نمودار نسبت تخلخل – فشار (داس، ۲۰۰۰)
برای خط (حالت عادی تحکیم یافته):
(۳-۲)
(۳-۳)
و برای خط CD (حالت پیش تحکیم یافته):
(۳-۴)
(۳-۵)
که در این معادله، تخلخل اولیه خاک، Cc شاخص تراکم، تخلخل خاک پیش تحکیم یافته در و اعداد ثابت میباشند.
برای تعیین این رابطه فرضیات ذیل در نظر گرفته شده:
۱- در آزمایشها و روابط، شرایط یکبعدی و ایزوتروپیک صادق است. در این صورت:
۲- دانه های جامد و آب حفرهای تراکمناپذیر است.
۳- اثر تغییرشکلهای طولانیمدت (خزش) در نظر گرفته نشده است.
۳-۵- مقاومت برشی خاکها
۳-۵-۱- معرفی
اگر نشست یک فونداسیون بهطور عمده در اثر تحکیم لایه های خاک نرمی که در بین اقشار نسبتاً غیر قابل تراکم قرار گرفته است باشد، قابل محاسبه و ارزیابی است. بااینحال، این روند فقط در شرایطی که تغییرشکل افقی نسبت به تغییرشکل قائم ناچیز باشد معتبر است. بهعبارتدیگر اعمال بار در محل، باعث تغییرشکل تودهی خاک در جهات مختلفی می شود. مشخصات تنش-کرنش که تغییرشکل را تعیین می کنند پیچیدهتر از آن هستند که بتوان آنها را در معادلات ساده و قابل استفادهی عمومی بیان کرد. این مشخصات با آزمایشهای تجربی بر روی نمونههای دستنخوردهی در معرض تنشهای اولیه و تغییرات تنش متعاقب، قابلمقایسه با شرایط محلی، بهتر قابل تحقیق میباشد. بسیاری مسائل دیگر در مکانیک خاک کاربردی، نیاز به تحقیقات و مشاهدات مشابه دارند که ازجملهی آنها میتوان به تغییرات فشار خاک در مقابل دیوارهای حائل به دلیل جابجایی دیوارها، مقدار و توزیع بارها در حفاریهای باز و مهاربندیشده و تغییرشکل تودهها و فونداسیونهای آنها اشاره کرد.
علاوه بر این، اگر تنشها به مقادیر معین بحرانی برسند، خاک گسیخته خواهد شد. در بعضی موارد تنشهای کششی ممکن است منجر به ترکهایی شوند که اهمیت عملی دارند، اما در بیشتر مسائل مهندسی، تنها مقاومت برشی نیاز به تحکیم دارد؛ و در مواردی مانند پایداری فونداسیونها و سدها، همانند پایداری شیبها و رفتار زمینلغزهها حاکم است. ترکیب مشخصات تنش-تغییرشکل-گسیختگی خاک، در مقایسه با اکثر مواد سازهای، تحت تأثیر فشار منفذی، تشدید می شود. این تأثیر باید در آزمایشهای تجربی مورد استفاده در بررسی رفتار خاک، مورد توجه قرار گیرد.
تمام آزمونهای آزمایشگاهی مورد استفاده برای ارزیابی تنش، کرنش و مقاومت خاکها در دو مرحله انجام میشوند. در مرحله اول، یک تنش اولیه، ترجیحاً مشابه شرایط قبل از ساخت موجود در محل، به نمونه خاک وارد می شود. برای مثال، قبل از یک خاکریزی روی نهشتهی رسی نرم همسطح با زمین، تمام اجزای رس نرم تحت یک تنش مؤثر عمودی ، تنشهای مؤثر افقی و فشار منفذی هیدرواستاتیک قرار میگیرد. برای تعیین مشخصات تنش-کرنش و مشخصات مقاومتی رس نرم قابل استفاده برای ارزیابی پاسخ آن در سازهی خاکریزی، ممکن است یک نمونه استوانهای دستنخورده در یک دستگاه سهمحوری قرار گرفته و در مرحله اول، تحت یک تنش محوری قائم برابر با ، یک تنش افقی شعاعی برابر با و یک فشار منفذی قرار داده شود. در این حالت تنش درجا و فشار آب منفذی قبل از مرحله دوم (مرحله اصلی) در نمونه آزمایشگاهی ایجاد می شود. ممکن است فشار آب منفذی در طول مرحله اول، برای حفظ درجه اشباع درجا و برای به حداقل رساندن اکسیداسیون وابسته به کهنگی بیوشیمیایی نمونه، ثابت نگه داشته شود (لیسارد[۸۲]، ۱۹۸۲). بهعنوان مثالی دیگر، یک جزء از ماسهی اشباع پایینتر از سطح زمین همیشه تحت یک ، و قبل از تنشهای برشی لرزهای اعمال شده توسط یک زلزله قرار دارد؛ بنابراین، یک نمونه دستنخورده در دستگاه برش مستقیم ساده، تحت یک تنش محوری قائم برابر با در مرحله اول نیز قرار میگیرد. درهرحال، در این دستگاه تنش شعاعی قابلکنترل نیست. علاوه بر این، فرض می شود که کاربرد شعاعی در دستگاه برش سادهی مستقیم یک تنش شعاعی مؤثر تقریباً برابر با را توسعه میدهد و نبود تأثیر زیادی در رفتار ماسهی اشباع در طول مرحله دوم ندارد.
برای رفع محدودیتهای دستگاه یا سادهسازی روند آزمایش، اغلب یک تنش و فشار منفذی تقریبی ولی نابرابر با شرایط درجا در مرحله اول تحمیل می شود. در دستگاه سهمحوری، تنش درجا تقریباً با تنش میانه تقریب می شود و نمونه خاک تحت یک فشار همهجانبهی برابر با قرار میگیرد. در آزمایش برش مستقیم، نمونههای ماسهی یک سد خاکی اغلب تحت یک تنش نرمال قرار میگیرند و تنشهای برشی موجود در خاکریز قبل از لرزش لرزهای صرفنظر میشوند. در یک سادهسازی مشابه، در مرحله اول آزمایش برش مستقیم، یک نمونه از خاک خشک از ناحیهی برشی در یک دامنه طبیعی تنها تحت یک تنش قائم قرار میگیرد و تنشهای برشی موجود در شیب نادیده گرفته می شود، حتی قبل از حفاری یا شکست در پای دیوار، تنشهای برشی اضافی تحمیل می شود که منجر به زمینلغزش میشوند.
در طول مرحله اول اغلب آزمایشها، زهکشی مجاز است و قرار دادن نمونه در آب یا خارج از آن اختیاری است. چنین آزمایشی تحکیمشده نامیده می شود.
بااینحال، این اصطلاحات گاهیاوقات گمراهکننده است. برای مثال، وقتی تنش درجا دوباره روی یک خاک دستنخوردهی ایدهآل اعمال می شود، حتی در حالت زهکشی شده، نمونه نباید تغییر حجم دهد. بااینوجود، مقداری تحکیم ممکن است در طول مرحله اول چنین آزمایشی اتفاق بیفتد؛ این امر بازتاب تأثیرات ناخواستهی دستخوردگی نمونه یا عدم مطابقت مقادیر و اعمالی با شرایط واقعی درجا و یا هر دو آنها میباشد؛ بنابراین، در این استفادهی بخصوص، شرایط تحکیمشده اشاره به بازگشت حالت تحکیم خاک موجود در محل قبل از نمونه گیری دارد نه به تغییرات حجم ناخواسته که ممکن است در طول مرحله اول آزمایش اتفاق بیفتد.
در بعضی از آزمایشها، زهکشی در مرحله اول انجام نمی شود و تست تحکیم نشده نامیده می شود. این اصطلاح هم گمراهکننده است، زیرا تمام نمونههای خاک، چه دستنخورده و چه دوباره ساختهشده، برای رسیدن به ثبات، قبل از آنکه در دستگاه برش قرار بگیرند، تحکیم را بهنوعی تجربه کرده اند؛ بنابراین، اصطلاح تحکیمنشده فقط به شرایط زهکشی در طول مرحله اول آزمایش اشاره دارد نه به شرایط واقعی تحکیم نمونه خاک (ترزاقی، ۱۹۶۷).
برای تحلیل برخی مشکلات عملی، مشخصات تنش-کرنش و مقاومت خاک در تنشهای تحکیمی متفاوت از تنشهای موجود در شرایط درجا قبل از ساخت، مورد نیاز است. بهعنوانمثال، زمانی که یک خاکریز در مراحلی روی یک تودهی خاک نرم ساخته می شود، تحلیل تغییرشکل و پایداری مرحله دوم به اطلاعاتی درباره مشخصات تنش-کرنش و مقاومت خاک، بعد از تحکیم تحت مرحله اول، نیاز دارد. برای ارزیابی رفتار یک سد خاکی، مشخصات تنش-کرنش و مقاومت هر لایهی متراکم شده، بعدازاینکه لایه تحت نیروهای سربار ثانویه قرار گرفت، مورد نیاز است. اطلاعات مقاومت برشی ممکن است یا در شرایط تنشهای مؤثر قبل از برش (تنشهای تحکیم) و یا در شرایط تنشهای مؤثر در یک شرایط گسیختگی مورد نیاز باشد. برای به دست آوردن این اطلاعات، چندین نمونه خاک در مرحله اول تحت فشارهای تحکیمی مختلف قرار میگیرد. محدوده فشارهای تحکیمی یا تنش مؤثر در گسیختگی باید تا حد ممکن به شرایط آنها در واقعیت نزدیک باشد. بعد از هر افزایش فشار، تحکیم اولیه و حداقل نیمی از تحکیم ثانویه باید انجام شود. مقادیر بالای تراکم در خاکهای نرم، سیلت و ماسههای ضعیف باید صرفنظر شود، بخصوص زمانی که روابط بین فشار تحکیمی و مدول زهکشینشدهی کرنش کوچک مدنظر باشد، زیرا تحکیم ثانویه تأثیر افزایش فشار تحکیمی را دارد. این افزایش می تواند توسط رابطه تجربی ۳-۶ بیان شود (مصری و چوی، ۱۹۷۹):
(۳-۶)
که در آن: فشار تحکیمی است که مدول زهکشینشده و مقاومت زهکشینشدهای که در مرحله دوم اندازه گیری می شود را تعیین می کند، فشار تحکیمی وارد بر نمونه، مدتزمان تحکیم اولیه، کل مدتزمان اعمال افزایش فشار و نیز نسبت شاخص تحکیم ثانویه به شاخص فشردگی است.
امکان اینکه مرحله اول را در اغلب آزمایشهای درجا، برای تعیین مشخصات تنش- کرنش و مقاومتی خاکها انجام دهیم، وجود ندارد. وضعیت تنش مؤثر اولیه برقرار شده است و جایگزین کردن وضعیت تنش تحکیمی در صحرا مشکل است. تغییرات حجم و فشار حفرهای که ممکن است مقدم بر مرحله اصلی آزمایشهای درجا باشد، پیامدهای نامطلوب دستخوردگی خاک، هنگام قرار دادن قاشقک، فشارسنج یا دیگر وسایل میباشد.
مرحله دوم فرایند آزمایش، روند طبیعی یا مربوط به ساختاری است که خاک را در معرض تغییر تنشهای برشی قرار میدهد. حالتهای مختلف برش که ممکن است در شرایط صحرایی با آن روبرو شویم، با بهره گرفتن از انواع مختلف دستگاهها و روشهای اعمال تنش برشی تقریب زده می شود. هر دو حالت افزایش یا کاهش تنش تحمیلشده به نمونه و اندازه گیری تغییرشکلها، یا تغییرشکل تحمیلی به نمونه (غالباً با یک آهنگ ثابت) و اندازه گیری تغییرات تنش در نمونه، استفاده می شود. آزمایش نوع اول که تحت کنترل تنش انجام می شود، واقعگرایانهتر است، اما نوع دوم که تحت کنترل کرنش انجام می شود، راحتتر است.
همه خاکها وقتیکه در معرض تغییر تنش برشی قرار میگیرند، تمایل به تغییر حجم دارند. اگر در طول مرحله دوم، نمونه خاک قادر به تغییر حجم در خلال فرایند برشی باشد، زهکشیشده نامیده می شود. مرحله زهکشیشده دوم باید بعد از مرحله تحکیم شده اول باشد. بهعبارتدیگر، اگر از تغییر حجم در طول مرحله دوم جلوگیری شود، آزمایش، زهکشینشده نامیده می شود. مرحله زهکشیشده دوم می تواند بعد از مرحله تحکیمشده یا نشدهی اول باشد. وقتیکه از زهکشی ممانعت شود، تمایل به تغییر حجم منجر به فشارهای حفرهای ناشی از برش می شود.
آزمایش کاملاً زهکشیشده، آزمایشی است که در آن هیچگونه فشار حفرهای ناشی از برش در نمونه ایجاد نشود. این وضعیت وقتی به دست می آید که آهنگ تنشهای اعمالی به حدی باشد که فرصت تغییرحجمهای ناشی از برش به نمونه داده شود. به این صورت که تنشهای برشی به حد کافی آرام باشد تا آب قادر به جریان در داخل یا بیرون از نمونه در واکنش به گرایشهای تورمی یا انقباضی باشد. فشار آب حفرهای بهندرت در آزمایشهای زهکشیشده اندازه گیری می شود؛ با انتخاب یک آهنگ برشی مناسب، بهطوریکه فشارهای آب حفرهای در داخل نمونه ایجاد نشود، از برقراری شرط زهکشی اطمینان حاصل می شود. میزان آهنگ برشی اعمالی، بر اساس استفاده از تئوری تحکیم ترزاقی، برای اتلاف فشارهای آب حفرهای اضافی ناشی از برش، تخمین زده می شود (بیشاپ و هنکل[۸۳]، ۱۹۶۲؛ بیشاپ و گیبسون[۸۴]، ۱۹۶۳). 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.
۳-۵-۲- اهمیت
ایمنی سازههای ژئوتینیکی به مقاومت خاک وابسته است. اگر خاک گسیخته شود، سازهی بنا شده روی آن نیز شکسته می شود و جان ساکنان را به خطر می اندازد و منجر به خسارتهای مالی می شود. 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 می شود (بودهو[۸۵]، ۲۰۱۱). مقاومت برشی برای برآورد ظرفیت باربری خاکها و پایداری سازههای ژئوتکنیکی و تحلیل مشخصات تنش-کرنش خاکها مورد نیاز است.
۳-۵-۳- 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.
۳-۵-۴- 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. دانه های 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 می دهند تا به یک تنش برشی تقریباً ثابت برسند که در این صورت میگوییم به حالت بحرانی تنش برشی ( ) رسیده است (شکل ۳-۱۴-a). همچنین این خاکها تحت تنشهای ذکر شده متراکم میشوند، یعنی چگالی آنها بیشتر می شود تا به یک نسبت تخلخل ثابت که آن را نسبت تخلخل بحرانی مینامیم، برسند (شکل ۳-۱۴-b و ۳-۱۴-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 ۳-۱۴-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 ۳-۱۴-b و ۳-۱۴-c).
زمانی که یک گروه برشی در برخی از رسهای پیشتحکیم یافته توسعه مییابد، دانه های خاک بهصورت موازی در راستای گروه برشی قرار میگیرند. این امر باعث می شود تنش برشی نهایی این رسها پایینتر از تنش برشی حالت بحرانی قرار بگیرد. این نوع از خاکها را در این پایان نامه، 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 ۳-۱۴: واکنش خاکها در برابر برش (بودهو، ۲۰۱۱)
۳-۵-۴-۱- تأثیر افزایش تنش مؤثر قائم
آخرین نظرات