مقاله درباره خزش، برشي، خاکهاي، رسي

دانلود پایان نامه

ه مدت‌زمان تغييرشکل در اين دو ضخامت، چندان تغيير نميکند؛ يعني ارتفاع نمونه تأثير زيادي در زمان تحکيم ندارد (مسچيان، ۱۹۹۵). اين واقعيت با نظريهي کلاسيک ترزاقي تناقض داشت. تيلور۱۹ و مرچنت۲۰ نظريه کلاسيک را دوباره آزمايش کردند و مسئله‌ي تحکيم يک‌بعدي خاکهاي رسي اشباع را با مشارکت تحکيم ثانويه، يعني تغييرشکل بلندمدت اسکلت خاک، حل کردند (هاول۲۱، ۲۰۰۴). در سال ۱۹۵۳، فلورين۲۲ نظريهي خود دربارهي تحکيم خاک متخلخل خزشي اشباع را منتشر کرد. در اين نظريه فرض شده است که نشت و خزش اسکلت، مطابق نظريهي خطي خزش ارثي مواد کهنه شونده، از آغاز فرايند تحکيم به‌صورت همزمان عمل مينمايند. اين نظريه بعدها با مطالعات تجربي متعددي که توسط گيبسون۲۳ و لوو۲۴ (۱۹۶۱) و لوو (۱۹۶۱) انجام گرفت، تأييد شد.
مفهوم مقاومت در برابر زمان توسط جانبو توسعه يافته است تا رفتار تنش-کرنش-زمان خاک را بررسي و ارزيابي نمايد. بر اساس اين مفهوم، مطالعهي ترکيبي رفتار خزشي رسهاي Norwegian Eberg و Troll با استفاده از آزمايشهاي ادئومتر توسط کريستينسن (۱۹۸۵) انجام گرفت.
مطالعات متعددي توسط ساير پژوهشگران دراين‌باره انجام شده است. متأسفانه زمان کافي براي توصيف همهي آنها در اين پاياننامه وجود ندارد. به‌صورت مختصر ميتوان به پژوهشهاي مصري۲۵ (۱۹۷۳)، مصري و رخسار۲۶ (۱۹۷۴)، مصري و چوي۲۷ (۱۹۷۹، ۱۹۸۱)، مصري و گودلوسکي۲۸ (۱۹۷۷)، بررسيهاي تحکيم اوليه و ثانويه رسهاي فنلاند توسط ناتانن، لجاندر۲۹ و پومالانن۳۰ (۱۹۹۵)، مطالعهي تحکيم رس و خاک نباتي توسط باردن۳۱ (۱۹۶۸)، پژوهشهاي لرويل۳۲ و همکاران (۱۹۸۵)، يا تفسير منحصربه‌فرد تحکيم ثانويه رس به‌عنوان يک فرايند آب‌زدايي با ارائهي يک مدل جديد توسط ناوارو۳۳ و آلونسو۳۴ (۲۰۰۱) اشاره نمود. تأثير تحکيم ثانويه بر مقاومت برشي زهکشينشدهي رس توسط بجريوم۳۵ و لوو (۱۹۶۳) معرفي شده است. بررسيهاي مشابهي دربارهي تأثير تحکيم بلندمدت بر را نيز ميتوان در پژوهش ياشوهارا۳۶ و هيرائو۳۷ (۱۹۸۸) مشاهده نمود.

دستگاه تحکيم يک‌بعدي (ادئومتر)
در سال ۱۹۱۰ اولين معادله براي آزمايش تحکيم يک‌بعدي توسط فرونتار۳۸ در فرانسه ارائه داده شد. در سال ۱۹۱۹ کميسيون ژئوتکنيک سوئد يک آزمايش تحکيم يک‌بعدي را براي خاک رسي با زهکشي آب از دو طرف نمونه، از طريق لايههاي ماسهاي انجام داد (مسچيان، ۱۹۹۵). اين روش بعدها توسط ترزاقي براي طراحي تحکيمسنج که امروزه به‌عنوان دستگاه تحکيم يا ادئومتر شناخته ميشود، مورد استفاده قرار گرفت.

۲-۲- خزش
بر اساس مشاهدات واقعي سازههاي قديمي و دامنههاي طبيعي، وجود خزش در خاکهاي رسي از زمانهاي قديم شناخته شده است. بااين‌حال، بررسي جدي اين پديده در اواسط قرن نوزدهم ميلادي و به دنبال اوجگيري فعاليتهاي ساختمان‌سازي، شروع شده است. خزش خاکهاي رسي بعد از مشاهدهي تغييرشکلهاي بلندمدت بزرگ، مورد توجه دانشمندان و متخصصان قرار گرفت. اولين باري که پديدهي خزش در خاکهاي رسي به‌صورت برجسته مورد توجه قرار گرفت اثر “پايهها و فونداسيونها” از Karlovich در سال ۱۸۶۹ بود (هاول، ۲۰۰۴). ميتوانيم بگوييم که در طول قرن اخير و به‌طور عمده در طول سالهاي اخير، تغييرشکلهاي خزشي در خاکهاي رسي به يکي از مهمترين مسائل مکانيک خاک تبديل شده است. بيشترين مطالعات مرتبط با پديدهي خزش در نيمه دوم قرن بيستم و سالهاي آغازين قرن اخير انجام گرفته است (هاول، ۲۰۰۴).
سيتوويچ۳۹ و مارتيروسيان۴۰ (۱۹۶۶) روشي را براي تعيين پارامترهاي خزشي خاکهاي رسي نيمهاشباع بر اساس نتايج آزمايشهاي زهکشينشده به دست آوردند. تعيين مشخصات تغييرشکل خاکها عموماً با وسايل آزمايشگاهي انجام ميشود. در برخي حالتها اين آزمايشها بايستي تا يک ماه نيز ادامه يابد. در اين کار روشي براي کوتاه کردن زمان آزمايش تا حدود يک الي دو روز تشريح شده است. اين روش بر اساس نتايج آزمايشهاي خزشي زهکشينشده، تحت شرايط فشار تک‌محوري و بدون تغييرشکل جانبي خاک انجام شده است. نتايج اين پژوهش به‌صورت خلاصه در زير آمده است:
۱- زماني که يک بار استاتيک به يک خاک رسي نيمهاشباع وارد ميشود، فشار آب منفذي بايد با در نظر گرفتن مقاومت ويسکوز تغييرشکل (خزش) اسکلت خاک محاسبه شود که در برخي مواقع منجر به کاهش مقادير فشار آب منفذي ميگردد.
۲-مقدار نهايي فشار آب منفذي زماني که زهکشي نمونه امکانپذير نيست، ميتواند تا حد زيادي از مقدار اوليه آن بيشتر باشد (سيتوويچ و مارتيروسيان، ۱۹۶۶).
مسچيان (۱۹۶۹) روابط توصيفکننده فرايند تغييرشکل خاکهاي رسي در طول زمان را مورد بررسي قرار داد. در اين پژوهش مسائل عمدهي خزش حجمي، کرنش زاويهاي و مقاومت بلندمدت خاکهاي رسي که اهميت زيادي در هنگام تصميمگيري در مسائل عملي و اجرايي دارد، بررسي شده است؛ و نيز قابليت کاربرد نظريههاي مختلف خزش، براي توصيف فرايند خزش ذرات خاک در طول تحکيم يکبعدي و تحت بارهاي ثابت و متغير تشريح شده است. ابتدا مفاهيم اساسي تغييرشکل حجمي (تحکيم) مورد بررسي و ارزيابي قرار گرفته است. خزش حجمي (تحکيم) به درجه اشباع خاک (G)، مشخصات تراوشي آن (K) و شرايط خاک (چگالي، درصد رطوبت، مقاومت سازهاي) به دليل خزش دانههاي خاک، آهنگ تراکم و تراکمپذيري آب منفذي وابسته است (مسچيان، ۱۹۶۷)؛ بنابراين، مسائل مربوط به تحکيم خاکهاي رسي اشباع معمولاً به مسئله ترکيبي نظريه خزش و تراوش که براي اولين بار توسط فلورين (۱۹۵۳) آزمايش شد، تقليل مي‌يابد. تأثير وجود گازهاي حلنشده در آب منفذي بر فشار اضافي موجود در آب منفذي نيز بررسي گرديده ا
ست. در ادامه تأثير تنش انحرافي يا همان تنش برشي بر ميرا شونده يا غير ميرا شونده بودن کرنشهاي خزشي بررسي شده است. يک مثال از نمودار چنين کرنشهايي در شکل ۲-۱ آمده است. در پايان نيز مقايسهاي بين نمودارهاي خزش برشي تجربي و نظري صورت گرفته است.
مسچيان و باداليان۴۱ (۱۹۷۵) تأثير حالت خاک بر روي کرنش خزشي در حين برش را مورد بررسي قرار دادند.

شکل ۲-۱: منحنيهاي نمونه خزش کرنشي (مسچيان، ۱۹۶۹)

يکي از مهمترين عاملهاي حالت خاک، تأثير تغييرات حالت خاک در بارگذاري خارجي تحکيمي است. در طول برش، حالت خاک اساساً توسط مقدار و مدتزمان تنش اعمالي عمود بر صفحه برش تعيين ميشود. درنتيجه در اين پژوهش کميت به‌عنوان شاخص انتگرالي حالت خاک در نظر گرفته شده است (مسچيان، ۱۹۶۰، ۱۹۶۷). مسئله‌ي محاسبهي تغييرپذيري حالت خاکهاي رسي در کرنشهاي خزشي در طول برش، براي اولين بار در سال ۱۹۶۰ در نظر گرفته شد. نمونههاي استوانهاي خاک رس اشباع در چهار حالت اوليه مختلف، يعني هاي مختلف تحکيم داده شدند. نمونهها براي مدت ۴۱ روز تحکيم شدند و سپس با تنشهاي برشي ثابت و مختلف مورد آزمايش خزش قرار گرفتند. در اين مطالعه، مجموعهي منحنيهاي تجربي خزش از رابطهي ۲-۱۰ (آروتيونيان۴۲، ۱۹۵۲) به‌دست‌آمده است:
(۲-۱۰)
که در آن: درجهي خزش (کرنش خزشي با ) و تابع تنش مماسي است که رابطهي غيرخطي بين کرنش خزشي و تنشهاي مماسي را حساب ميکند و شرايط را ارضا مينمايد.

شکل ۲-۲: مجموعه منحنيهاي تجربي خزش (خطوط ساده) رس کيو براي چهار مقدار مختلف و نمودارهاي به‌دست‌آمده آنها از معادله (۲-۱۱) (مسچيان، ۱۹۶۰)

در اين پژوهش معادلهي نهايي براي کرنش خزشي خاک به‌صورت رابطهي ۲-۱۱ به‌دست‌آمده است:
(۲-۱۱)
علائم موجود در اين رابطه، قبلاً تشريح گرديدهاند. در ادامه، تأثير آهنگ تنش مماسي بر مقاومت خاکها مورد بررسي قرار گرفته است. شکل ۲-۳ نمودار مقاومت برشي خاک مورد آزمايش را نشان ميدهد. آزمايشها نشان ميدهد که کاهش آهنگ تنش مماسي منجر به کاهش مقاومت برشي خاک ميشود. براي مثال در اين آزمايشها شاهد کاهش حدوداً ۲۰ درصدي زاويه اصطکاک داخلي و کاهش ۷ درصدي چسبندگي هستيم.

شکل ۲-۳: منحنيهاي مقاومت برشي رس کيو۴۳ به‌دست‌آمده از روش برش سريع (۱) و روش استاندارد (۲) (مسچيان، ۱۹۷۵)

خلاصه نتايج به‌دست‌آمده در اين پژوهش به‌صورت زير است:
۱- تابع تنش مماسي در حقيقت مستقل از حالت خاک است.
۲- براي تنشهاي مماسي نسبي يکسان نيز شاخص خزش درواقع مستقل از حالت خاک است.
۳- حالت خاک، تأثير عمدهاي روي درجه خزش برشي خاک دارد. در محدوده بارهاي تحکيمي ذکرشده، خزش برشي تقريباً با سه عامل تغيير ميکند.
۴- کاهش آهنگ برش (مدتزمان) منجر به کاهش مقاومت برشي خاک ميشود؛ اين عامل نشان ميدهد که تأثير آن روي زاويه اصطکاک داخلي بيشتر از تأثيرش روي چسبندگي ميباشد.
مسچيان و باداليان (۱۹۷۶) نقش مهم خزش خاکهاي رسي تحت برش را مورد بررسي قرار دادند. در اين پژوهش، براي مقايسه، مقاومت برشي نمونه‌هاي با ساختار دستخورده، با حفظ درصد رطوبت طبيعي و وزن مخصوص، تعيين شده است. آزمايشهايي بر روي نمونههاي دستخورده و دستنخورده انجام گرفته است. نمونههاي دستنخورده از يک توده خاک بريده شده است و نمونههاي دستخورده نيز از باقيماندههاي خاک توده ساخته شده است و درصد رطوبت اوليه و چگالي نمونههاي دستخورده حفظ شده است. در اين پژوهش، بار ديگر اثبات شده است که در تمام حالتها و با تنشهاي نسبي برابر ، کرنش خزشي به‌صورت تجربي يک‌شکل هستند. با مقايسهي نمودارهاي حاصل از هر دو سري نمونهها، مطابقت بين نمونههاي دستخورده و دستنخورده به چشم ميخورد؛ يعني ضريب تبديل دادههاي آزمايش نمونههاي دستخورده به دادههاي نمونههاي دستنخورده تقريباً واحد است (مسچيان و باداليان، ۱۹۷۶). در انتها پيشنهاد شده است که الگوي خزش تحت برش براي خاکهاي رسي مختلف دستخورده و دستنخورده بررسي شود و در صورت تصديق نتايج، در تعيين مشخصات ريختشناسي خاکها اين امر در نظر گرفته شود؛ يعني امکان بررسي خزش در يک حالت چگالي-درصد رطوبت براي خاک وجود خواهد داشت (مسچيان و باداليان، ۱۹۷۶).
مسچيان و آيرويان۴۴ (۱۹۸۹) خزش برشي خاکهاي متورم شونده را مورد بررسي قرار دادند. هدف اصلي آنها در اين پژوهش بررسي امکان تعميم قانون خزش برشي، به خاکهاي متورم شونده ميباشد. بررسيهايي روي نمونههاي متورم شونده ترکيبي بنتونيت – ماسه حاوي ۶۰% (جرمي) پودر بنتونيت و ۴۰% ماسهي کوارتز انجام شده است. بر روي نمونهها آزمايشهاي مقاومت برشي و خزش برشي در دستگاههاي M-5 (مسچيان، ۱۹۸۵) در شرايط رطوبت اوليهي و که ميتواند کمتر يا بيشتر از (حد خميري) باشد، انجام شده است. در هرکدام از شرايط اوليهي چگالي و درصد رطوبت، فشارهاي تورم آزاد () و مقاومت برشي () در شرايط حفظ رطوبت اوليه () در طول تراکم و برش نمونه‌ها به‌خوبي حالت اشباع ، تعيين شده‌اند. خزش خاک ترکيبي ذکر شده با آزمايش هفت سري از نمونههاي جفتي در هفت حالت مختلف چگالي و درصد رطوبت اوليه، تعيين شده است. در هرکدام از حالتها، خزش برشي براي سه مقدار مختلف ثابت و افزايشي تعيين شده است. در شکل ۲-۴ نمودار خزش برشي براي حالتهاي مختلف مخلوط مورد نظر نمايش داده شده است.

شکل ۲-۴: نمودارهاي ترکيبي گروه منحنيهاي تجربي براي خزش برشي ترکيب بنتونيت – ماسه، به‌دست‌آمده از
آزمايش نمونهها تحت حالتهاي مختلف درصد رطوبت – چگالي (مسچيان، ۱۹۸۹)

همانطوري که در شکل ۲-۴ مشاهده ميشود، پراکندگي تغييرشکلهاي خزش برشي به‌دست‌آمده براي مقدار تنش برشي در هفت حالت مختلف از ترکيب بنتونيت – ماسه، مقادير هرکدام در بيش از پنج نقطه با بقيه تفاوت دارد، ولي بيش از ۱۰% نيست.
نتايج به‌دست‌آمده در اين پژوهش، به‌طور کامل، درستي قانون خزش برشي اثبات شده براي خاکهاي رسي معمولي را تأييد ميکند (مسچيان، ۱۹۸۹). متعاقباً براي به دست آوردن معادلات حالت تورم خاک تحت برش (لحاظ کردن تأثير عوامل مختلف)، شکل دادن گروه منحنيهاي خزشي تجربي در يک حالت انتخابي چگالي و درصد رطوبت و تعيين الزامي مقاومت برشي در تمام حالتهاي چگالي و درصد رطوبت مورد نظر، با لحاظ کردن تأثير عوامل مختلف روي آن (فشار تراکمي، شيوه خيساندن و غيره)، کافي است (مسچيان، ۱۹۸۹). اطلاعات ارائه شده در اين پژوهش تأييد ميکند که براي تعيين مشخصات خزش برشي خاکهاي متورم شونده، تحت شرايط چگالي و درصد رطوبت مختلف، کافي است تنها يک گروه از منحنيها در هر يک از اين حالتها به‌طور تجربي تعيين گردد. علاوه بر اين، نياز است تا با آزمايش، تغييرپذيري مقاومت برشي وابسته به عوامل مختلف مدنظر (فشار تحکيمي، نحوهي آزمايش، شرايط خيساندن و غيره) تعيين گردد. درنتيجه، تأثير تغييرپذيري شرايط خاک بر مشخصات خزش برشي آن، از طريق تغييرپذيري شاخصهاي مقاومتي آن محاسبه ميگردد.
مسچيان (۱۹۹۶) سادهترين مدلها و روشهاي سادهشده براي تعيين خزش برشي غيرخطي خاکهاي رسي را ارزيابي نموده است. نمودار دراکر-پراگر يک جسم الاستوپلاستيک (دراکر۴۵ و پراگر۴۶، ۱۹۵۲) براي توصيف تبعيت و وابستگي تنش برشي () به کرنش برشي يک خاک رسي () با امکان تغييرپذيري شرايط چگالي-رطوبت، تحت تنشهاي قائم مورد استفاده قرار ميگيرد. در اين نمودار تأثير بر وابستگي برحسب تغيير تنش برشي نهايي (نقطهي تسليم) بيان ميشود درحاليکه در نمودار يالو (يالو۴۷ و شابان۴۸، ۱۹۹۴)، برحسب تغيير مدول الاستيسيته (تغييرشکل خطي) و نيز کميت بيان ميشود.

خاکهاي رسي واقعي توسط مشخصات خزش برشي وابسته به () و رابطهي غيرخطي توصيف ميشوند. براي ثابت رابطه از يک گروه منحني تجربي خزش برشي، شکل ۲-۵، در زمانهاي مختلف معين تعيين ميشود. تأثير روي و نيز ميتواند با استفاده از چندين گروه منحني تجربي خزش برشي که در تنشهاي قائم ثابت مختلف ( هاي ثابت) به‌دست‌آمدهاند، مدنظر قرار گيرد. در اين مقاله دو مدل ساده و روشهاي تجربي سادهشده براي تعيين مشخصات خزش برشي غيرخطي خاکهاي رسي با در نظر گرفتن تغييرپذيري حالت خاک تحت تنشهاي قائم مدنظر قرار گرفته شده است.

شکل ۲-۵: گروه منحني تجربي خزش برشي در هاي ثابت (مسچيان، ۱۹۹۶)

دو روش ارائه شده در اين مقايسه به‌صورت روابط ۲-۱۲ و ۲-۱۳ آمده است:
(۲-۱۲)
(۲-۱۳)
نهايتاً نتيجه گرفته شده است که سادهترين مدلهاي خزش برشي غيرخطي خاک رس ۲-۱۲ و ۲-۱۳ بهصورت تجربي با يکديگر تفاوتي ندارند، هم ازنظر

دیدگاهتان را بنویسید