بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی مقاومت برشی خاک های دانه ای با توجه به اندازه دانه ها و منحنی دانه بندی خاک
خلاصه
در همه مسائل مربوط به پایداری خاک ها از قبیل طراحی پی ها، دیوار های حائل و خاکریز ها، پایداری سد های خاکی و پایداری در برابر زلزله و روانگرایی، داشتن اطلاعات کافی در باره ی مقاومت خاک ضروری است. مقاومت خاک های مختلف یه عوامل متفاوتی بستگی دارد. در خاک های دانه ای، دانه بندی و درصد مشارکت ذرات با اندازه های مختلف در توده خاک بیشترین تأثیر را بر مقاومت برشی دارد. در این تحقیق به بررسی تأثیر اندازه ذرات و پارامتر های منحنی دانه بندی بر مقاومت برشی خاک های دانه ای می پردازیم. نتایج آزمایشات برش مستقیم انجام شده بر روی نمونه های ماسه خشک نشان می دهد که هر اندازه توده خاک دارای درصد بیشتری از ذرات درشت دانه باشد و هر اندازه ضریب یکنواختی منحنی دانه بندی بیشتر باشد(خاک خوب دانه بندی شده) مقاومت برشی خاک بیشتر خواهد بود.
کلمات کلیدی: مقاومت برشی، منحنی دانه بندی، ضریب یکنواختی، زاویه اصطکاک داخلی
مقدمه
به طور کلی خاک ها را می توان به دو دسته خاک های ریز دانه و درشت دانه تقسیم بندی نمود. در خاک های درشت دانه(شن و ماسه) با توجه به عدم وجود چسبندگی بین ذرات طبق رابطه موهر کلمب مقاومت برشی تنها به اصطکاک بین ذرات خاک و قفل و بست بین دانه ها بستگی دارد. طبق مطالعات انجام شده درصد مشارکت ذرات با اندازه های مختلف نقش تعیین کننده ای در مقاومت برشی خاک های دانه ای مانند ماسه ها دارند. بنابراین منحنی دانه بندی با توجه به قابلیت آن در نشان دادن درصد ذرات با اندازه های مختلف در توده خاک، ابزار مناسبی برای بیان مقاومت برشی خاک ها است. در این تحقیق خاک مورد نظر ماسه خشک است بنابر این آنچه به عنوان معیار بررسی مقاومت برشی خاک در نظر گرفته می شود زاویه اصطکاک داخلی خاک است.]1[
مقاومت برشی ماسه برای اولین بار توسط کولمب معرفی شد. او به سادگی فرض کرد که مقاومت برشی خاک با افزایش فشار نرمال افزای میابد. با توجه به مطالعات انجام شده می توان گفت مقاومت ایجاد شده در خاک ها در مقابل نیرو های برشی و با توجه به نیرو های نرمال وارد بر آن، حاصل مقاومت بسیج شده توسط اصطکاک بین ذرات (اصطکاک لغزشی)، مقاومت ایجاد شده به خاطر انرژی مورد نیاز برای اتساع نمونه(اصطکاک قفل و بست) و مقاومت ناشی از انرژی مورد نیاز برای چیدمان مجدد ذرات و موقعیت یابی مجدد آن ها(اصطکاک غلتاندن) می باشد.]2[
با توجه به اهمیت این مسئله محققین زیادی در مطالعات خود به بررسی اثر توزیع اندازه ذرات، درصد ریز دانه و درشت دانه موجود در خاک، شکل ذرات و میزان خراشیدگی آن ها بر روی مقاومت برشی خاک ها پرداخته اند. به عنوان مثال A.Hamidi(2013) و همکارانش ]3[در تحقیقی به بررسی اثر دانه بندی بررفتار مقاومت برشی و اتساع مخلوط های شن و ماسه خوب دانه بندی شده بر روی 27 نمونه آزمایشگاهی پرداختند. در این تحقیق ازسه نوع دانه بندی Base و Parallel و دانوبندی Scalped برای مطالعه استفاده شده است. این تحقیق نشان داد که با توجه به محدودیت اندازه ذرات در آزمایش برش مستقیم می توان با تقریب خوبی از منحنی Scalped به جای منحنی دانه بندی اصلی با حذف قسمت درشت تر دانه بندی استفاده کرد. سپس با استفاده از فرمول های تجربی این نتایج به دانه بندی اصلی تعمیم داده می شود. Esma mostefa kara(2013) و
همکارانش[2] به بررسی زاویه اصطکاک داخلی ماسه با توجه به سهم بخش ریزدانه خاک پرداختند. آن ها با انجام آزمایش دانه بندی و آزمایش برش مستقیم بر روی چندین نمونه ماسه به روابطی برای تعیین با استفاده از منحنی دانه بندی دست یافتند و اعلام کردند پیک زاویه اصطکاک با افزایش اندازه ذرات افزایش می یابد. آن ها با استفاده از روابط خود توانستند با تقریب خوبی زاویه اصطکاک داخلی ماسه را محاسبه کنند. M.A.Alim(2013) و همکارانش[4] به بررسی تأثیر میزان ریزدانه بر رفتار مقاومت برشی خاک در خاک های دانه ای پرداختند. آن ها به این نتیجه رسیدند که میزان ریز دانه خاک باعث فزایش چسبندگی خاک و در نتیجه افزایش مقاومت برشی آن می شود ولی از طرفی باعث کاهش زاویه اصطکاک داخلی خاک می شود. ولی در کل وجود ریز دانه خاک با عث کاهش مقاومت خاک می شود و در کار های عمرانی بهتر است جایگزین شود.آقایان حسین پور و فخیمی[5] با بررسی نقش ذرات درشت دانه بر روی رفتار استحکام برشی و تغییر شکلی با استفاده از آزمایش برش مستقیم روی مواد شمع سنگی، اعلام کردند که وجود ذرات درشت دانه باعث افزایش زاویه اصطکاک داخلی می شود در حالی که چسبندگی می تواند بسته به اندازه ذرات درشت دانه و با توجه به ابعاد جعبه آزمایش برش مستقیم افزایش یا کاهش یابد. بهروز مسعودی و همکارانش[6] به بررسی تأثیرات دانه بندی بر ویژگی های مقاومت برشی خاک های مخلوط شن و ماسه پرداختند و به این نتیجه رسیدند که با افزایش درصد درشت دانه در مخلوط شن و ماسه مقاومت برشی افزایش میابد. این موضوع بیشتر به دلیل اتساع نمونه با توجه به منحنی های تغییر حجم نمونه می باشد همچنین با افزایش تراکم نسبی، مقاومت برشی مخلوط افزایش میابد و افزایش درصد شن تأثیر قابل توجهی بر زاویه اصطکاک خاک دارد. البته تراکم نسبی مخلوط هم باعث افزایش زاویه اصطکاک خاک می شود ولی این افزایش در مقایسه با افزایش درصد شن قابل توجه نیست و در نهایت با افزایش تراکم نسبی پوش گسیختگی خاک به سمت بالا حرکت می کند. منحنی دانه بندی بر روی مدول برشی ماسه ها نیز تأثیر گذار است چنانچه T.Wichtman(2009) و همکارانش[7] در تحقیقی به بررسی این اثر در کرنش های کوچک بر روی ماسه کوارتزی با ذرات تیز گوشه پرداختند. نتایج آزمایشات ستون تشدید بیان می کند که با یک نسبت تخلخل ثابت، با افزایش ضریب یکنواختی منحنی دانه بندی Gmax کاهش می یابد. S.J.Yasim(2003) و همکارانش[8] در تحقیقی به بررسی تأثیر ویژگی ذرات بر روی مقاومت و تغییر حجم ماسه ی رودخانه ای پرداختند. آن ها در این تحقیق به این نتیجه رسیدند که زاویه اصطکاک داخلی با افزایش چگالی نسبی به طور خطی افزایش می یابد. همچنین با افزایش میزان ذرات تخت و زاویه دار در توده ماسه، زاویه اصطکاک داخلی افزایش می یابد و میزان تغییر حجم ماسه دارای ذرات کروی شکل در طول آزمایش بیشتر از ماسه دارای ذرات تخت و دراز است و هرچه میزان ضریب یکنواختی بیشتر باشد توده خاک به نسبت تخلخل بحرانی کمتری میل می کند. M.Nurul Islam(2010) و همکاران[9] در مقاله ای به بررسی اثر اندازه ذرات بر مقاومت برشی مواد دانه ای پرداختندو بیان کردند که با افزایش اندازه ذرات مقاومت برشی افزایش می یابد و هر اندازه خاک متراکم باشد مقاومت برشی هم افزایش می یابد. در نمونه های شل وقتی اندازه ذرات افزایش می یابد میزان تراکم کاهش می یابد ولی همچنان در ناحیه ی تراکم باقی می ماند و در نمونه های متراکم با افزایش اندازه ذرات میزان تراکم همچنین کاهش می یابد و اتساع نمونه با افزایش اندازه ذرات افزایش می یابد.
در تحقیق حاضر به بررسی تأثیر نوع دانه بندی بر مقاومت برشی خاک ها می پردازیم. برای این منظور سه نوع دانه بندی شامل خاک خوب دانه بندی شده((WG، خاک با دانه بندی منفصل((GG و خاک با دانه بندی یکنواخت((UG را برای ماسه خشک در نظر گرفته و با انجام آزمایشات چگالی، دانه بندی و برش مستقیم بر روی نمونه ها، اثر نوع منحنی دانه بندی بر مقاومت برشی را مورد مطالعه قرار می دهیم.
قابل ذکر است که رفتار تنش کرنشی ماسه شل و متراکم تحت بار های نرمال متفاوت است. به طور مثال ماشه شل در طول آزمایش برش مستقیم تحت بار نرمال پیوسته کاهش حجم پیدا می کند در حالی که نمونه های متراکم افزایش حجم دارند که به عنوان اثر اتساع شناخته می شود. قابل ذکر است که با افزایش چگالی نرخ اتساع افزایش میابد. در شکل شماره 1 این موضوع نشان داده شده است.
شکل-1 رفتار تنش برشی برای ماسه شل و متراکم
روند انجام آزمایش
ابتدا نمونه های از ماسه تهیه شده و برای تعیین دانه بندی خاک از الک های شماره 44 ، 144، 244 ،اندازه الک 1.18 میلیمتر، 2.26میلیمترو اندازه الک 3.35 میلیمتر و الک نمره 4 استفاده شده است. ذرات مانده روی الک نمره 4 و ذرات گذرنده از الک نمره 244 کنار گذاشته شده اند و تنها ذرات بین این دو رنج که همان ماسه است مورد آزمایش قرار می گیرند. آزمایش الک برای تهیه ی سه نوع دانه بندی خاک انجام می شود. آزمایش الک طبق استاندارد BS (جدول (1 انجام شده است.[14]
جدول -1 اندازه سوراخ های الک طبق استاندارد های ASTM و BS (منبع: Gofarو (Kassim
برای تعیین درصد های اندازه ذرات مختلف و تهیه نمونه های ماسه خوب دانه بندی شده، دانه بندی یکنواخت و دانه بندی منفصل از توصیه های Halts و [11] Kovacs(1981) استفاده شده که مقادیرآن در جدول شماره 2 آمده است.
جدول -2 درصد عبوری از هر اندازه ذره
بر اساس مقادیر ذکر شده در این جدول سه دانه بندی مورد نظر در آزمایشگاه تهیه شده و سپس با توجه به این مقادیر، منحنی دانه بندی مربوط به هر کدام از این خاک ها در شکل 2رسم شده است.
شکل-2 توزیع اندازه واقعی ذرات
حال با توجه به منحنی های رسم شده می توان ضرایب یکنواختی((CU و ضرایب انحنا((CC را برای خاک با دانه بندی یکنواخت، گسترده و منفصل طبق فرمول های زیر محاسبه کرد. نتایج برای هرکدام در جدول شماره3 آمده است.
D10 ، D30 و D60 اندازه دانه های است که به ترتیب 14،24 و 34 درصد ذرات از آن ها کوچکترند. CC ضریب انحنا و CU ضریب یکنواختی می باشند.
