بخشی از مقاله
خلاصه
افزودن ریزدانهی غیر خمیری به ماسه، میتواند رفتار آن را تا حد زیادی تغییر دهد. این تغییر بیشتر به دلیل تفاوت اندازهی دانههای ماسه و ریزدانه است. تا کنون پژوهشهای زیادی برای درک بهتر تاثیر ریزدانهی غیر خمیری بر مقاومت استاتیکی و دورهای ماسه انجام شده است که در همهی آنها تلاش شده است تا مخلوط ماسه و ریزدانه تا حد امکان همگن باشد. اما اعمال بار دورهای بر این نوع خاکها، باعث ایجاد ناهمگونی در آنها میشود و در صورتی که خاک بر اثر این نوع بارگذاری گسیخته نشود، رفتار استاتیکی آن نسبت به حالت پیش از بارگذاری تغییر خواهد کرد.
نتایج نشان میدهد که در درصد ریزدانهی پایین، بارگذاری دورهای با وجود آنکه در تنجشهای کم باعث کاهش مقاومت زهکشینشده میشود، اما تاثیر چندانی بر مقاومت حالت پایدار خاک ندارد. با افزایش درصد ریزدانه، بارگذاری دورهای باعث تغییر مقاومت هم در تنجشهای کم و هم در حالت پایدار میشود.
1. مقدمه
در چند قرن اخیر، ماسهی تمیز، در کنار رس، همواره یکی از دو نوع خاکی بوده است که به صورت پیوسته مورد مطالعه قرار گرفته است. این در حالی است که اکثر ماسههای موجود در طبیعت به صورت مخلوط با مقدار قابل توجهی لای یا رس موجودند. تنها در چند دههی اخیر است که تفاوت اساسی رفتار ماسهی ریزدانهدار با ماسهی تمیز درک شده است.
این تفاوت به طور عمده به دلیل اختلاف اندازهی دانههای ماسه و ذرات ریزدانه است؛ وجود ریزدانه میتواند باعث جدایی دانههای ماسه از یکدیگر شود و با کاهش تماس دانهها و اصطکاک ناشی از آن، مقاومت برشی خاک را کاهش دهد[1]؛ البته وقتی ریزدانهی اضافه شده به ماسه خاصیت خمیری قابل توجهی داشته باشد، چسبندگی نیز میتواند بر مقاومت خاک تاثیرگذار باشد. بنابراین چگونگی تغییر رفتار ماسه به نحوهی قرارگیری ذرات ریزدانه و میزان چسبندگی آنها بستگی دارد که اعمال بار دورهای میتواند هردوی این عوامل را تحت تاثیر قرار دهد چرا که از طرفی باعث به هم خوردن آرایش ذرات خاک میشود و از طرفی هم میتواند مقاومت خاکهای چسبنده را کاهش دهد.
تاثیر بارگذاری دورهای بر مقاومت خاکهای چسبنده نظیر رس، ماسهی رسدار و رس ماسهدار پیشتر مورد بررسی قرار گرفته است 2 ]، 3 و .[4 اما پژوهشهای صورت گرفته روی خاکهای غیر چسبنده بیشتر بر خاکهایی با اندازه ذرات یکسان تمرکز داشته است5] و .[6 تغییر مقاومت در این نوع خاکها پس از اعمال بار دورهای به دلیل تغییر در نحوهی چینش ذرات خاک است.
در خاکهایی مثل ماسهی لایدار که از دو نوع ماده با تفاوت اندازهی زیاد ساخته شدهاند مسلما این تغییر مقاومت بیشتر خواهد بود چراکه جابهجایی ذرات بر اثر اعمال بار دورهای باعث ناهمگون شدن خاک میشود و این ناهمگونی میتواند تاثیر زیادی بر مقاومت خاک داشته باشد.
در این پژوهش 48 آزمایش سهمحوری زهکشینشده انجام شده است که در آنها نمونهها در دو مرحله نخست به صورت دورهای و سپس در حالت استاتیکی بارگذاری شدهاند و تاثیر بارگذاری دورهای بر مقاومت استاتیکی زهکشی نشدهی ماسهی لایدار در درصد لای متفاوت، مورد ارزیابی قرار گرفته است.
2. مروری بر رفتار خاک پس از بارگذاری دورهای
پژوهشهای اولیه صورت گرفته بر روی ماسهی تمیز حاکی از آن بوده است که نوع بارگذاری چه استاتیکی باشد، چه دورهای، تاثیری بر مقاومت حالت پایدار خاک ندارد.[8] اما بررسی مقاومت پس از اعمال بار دورهای آشکار ساخت که بارگذاری دورهای در حالت زهکشی نشده اگر منجر به گیسختگی نشود، باعث تغییر آرایش دانههای ماسه شود این تغییر آرایش در نمونههای بسیار سست باعث شکلگیری منافذی در ساختار خاک میشود که در آستانهی ناپایداری قرار دارند و در تنش برشی اندک دچار ناپایداری ساختاری و گسیختگی جریانی میشوند.
در نمونههایی با تراکم بیشتر، این تغییر آرایش منجر به افزایش فشار آب حفرهای میشود و با توجه به ثابت بودن حجم نمونه باعث کاهش تنش موثر میانگین و در نتیجه افزایش میل نمونه به اتساع میشود. لای با خاصیت خمیری کم نیز همانند ماسهی سست رفتار میکند. در این نوع خاک با اعمال بار دورهای، تمایل نمونه به ناپایداری بیشتر میشود
بررسی رفتار ماسه پس از روانگرایی نیز نشان داده است که مقاومت و سختی خاک تا حد زیادی پس از روانگرایی کاهش یافته است ولی با افزایش تنجش محوری، دانههای خاک به تدریج تحت آرایش جدید به پایداری میرسند و نمونه رفتار اتساعی پیدا میکند. در این حالت مقاومت و سختی خاک افزایش پیدا میکنند در نتیجه رفتار نمونههای ماسهای پس از بارگذاری دورهای تا حد زیادی به بیشینه تنجش به وجود آمده بر اثر بارگذاری دورهای و فشار آب حفرهای ایجاد شده بر اثر بارگذاری دورهای بستگی دارد.
به طور کلی در خاکهای غیر چسبنده مانند ماسه، فشار آب حفرهای به وجود آمده و آرایش ذرات در مقاومت نمونه پس از بارگذاری دورهای تاثیرگذار هستند؛ بنابراین جنس و شکل دانههای ماسه اهمیت دارند. به همین دلیل است که عدهای کاهش سختی پس از اعمال بار دورهای[6] و عدهای افزایش آن را گزارش دادهاند
پژوهشهای صورت گرفته بر روی خاکهای چسبنده نیز نشان میدهد که برای بازهی وسیعی از این نوع خاکها، همواره در حالت زهکشی نشده، مقاومت حالت پایدار پس از اعمال بار دورهای کاهش مییابد. مقدار کاهش سختی خاک از میزان کاهش مقاومت نیز قابل توجهتر است.
در این نوع خاکها نیز همانند ماسه، با اعمال بار دورهای، تمایل نمونه به اتساع بیشتر میشود ولی این تغییر رفتار بسیار کمتر از خاکهای ماسهای است چون به دلیل وجود چسبندگی تغییر آرایش ذرات خاک کمتر بوده و تغییر مقاومت و سختی خاک بیشتر به دلیل ایجاد ترکهایی ریز در ساختار خاک بر اثر اعمال بار دورهای است. بررسی مخلوط ماسه و رس نیز نشان داده است که افزودن ماسه مقاومت استاتیکی رس را افزایش میدهد اما تاثیر چندانی بر مقدار کاهش مقاومت پس از اعمال بار دورهای ندارد. همچنین سختی رس را در هر دو حالت افزایش میدهد.
از آنجا که ماسهی لایدار بخشی از ویژگیهای هرکدام از خاکهای ذکرشده را دارد، استعداد بروز هریک از رفتارهای ذکر شده را دارد. برای تحلیل رفتار این نوع خاک پس از اعمال بار دورهای، نخست باید رفتار استاتیکی آن مورد بررسی قرار گیرد.
3. مروری بر رفتار ماسهی ریزدانهدار
اصلیترین تفاوت بین لای و ماسه در اندازهی ذرات آنها است. این تفاوت اندازه به همراه شرایط رسوبگذاری دو عاملی هستند که بر نحوهی توزیع فضای خالی در بین ذرات خاک تاثیرگذارند. برای مدل کردن رفتار این نوع خاکها معمولا ازمدل انباشتگی دوتایی ایدهآل استفاده میشود .
بر اساس شکل 1 وقتی درصد لای بسیار اندک است، ذرات آن در فضای خالی بین دانههای ماسه قرار میگیرند. در این حالت، ذرات لای در فضای خالی بین دانههای ماسه محصور شدهاند و نقشی در تحمل نیروی برشی ندارند، بنابراین میتوان آنها را همانند فضای خالی در نظر گرفت. در این حالت به دلیل غیرفعال بودن ریرزدانهها، مقاومت ماسهی لایدار نزدیک به ماسهی مرجع است. با افزایش تنش دورگیر و نزدیکتر شدن دانههای ماسه به یکدیگر، مقدار کمی از ریزدانهها نقشی فعال در ساختار خاک پیدا میکنند اما مقدار آنها قابل توجه نیست
وقتی درصد ریزدانه افزایش پیدا میکند، با وجود اینکه مقدار ریزدانه هنوز به اندازهای نیست که فضای خالی بین دانههای ماسه را پر کند، اما به تدریج مقداری از ریزدانهها باعث فاصله افتادن بین برخی دانههای ماسه میشوند. برای مثال برای ماسهی فیروزکوه با %15 لای، گزارش شده است که حدود یک چهارم ذرات لای، بین دانههای ماسه قرار میگیرند.[13] این ذرات، تماس بین دانههای ماسه را کاهش داده و با به وجود آوردن ساختاری ناپایدار که بر اثر برش به راحتی از بین میروند، باعث پایین آمدن مقاومت مخلوط میگردند. در این حالت تاثیر تنش دورگیر بر مقاومت حالت پایدار خاک بیشتر میشود.
با افزایش بیشتر درصد ریزدانه، مقدار آن به حدی میرسد که تمام فضای خالی بین دانههای ماسه را پرمیکند و افزایش بیشتر ریزدانه مستلزم آن است که دانههای ماسه از هم فاصله بگیرند و در بین ذرات لای شناور شوند. به این درصد ریزدانه، درصد ریزدانهی حدی میگویند و برای مقادیر فراتر از آن، ذرات لای ماتریس اصلی خاک را تشکیل میدهند و مقاومت خاک بیشتر به مقاومت لای مرجع نزدیک است و به همین دلیل مقاومت میتواند تغییر چشمگیری نسبت به درصد ریزدانههای پایینتر کند. از درصد ریزدانهی حدی تا رسیدن به ریزدانهی خالص، اگرچه در درصد ریزدانههای بالا اندکی افزایش مقاومت دیده میشود، اما در کل تغییر چندانی در مقاومت دیده نمیشود.
وقتی درصد ریزدانه از مقدار حدی عبور کرده است، با افزایش تنش دورگیر و نزدیکتر شدن دانههای ماسه، امکان برقراری تماس مجدد بین دانهها وجود دارد که میتواند سبب افزایش چشمگیر مقاومت گردد. به همین دلیل در این حالت، مقاومت حالت پایدار وابستگی بیشتری به تنش دورگیر دارد.[
همانطور که مشخص است، در دو حالت اخیر، بخشی از ریزدانهها در تحمل برش نقش دارند و نمیتوان همهی آنها را به صورت فضای خالی در نظر گرفت.
شکل:1 تاثیر ریزدانه بر نحوهی چینش ذرات در ماسه
4. ویژگیهای خاک
برای انجام آزمایشها از مخلوطهای ماسهی بابلسر و لای فیروزکوه استفاده شده است. ماسهی بابلسر با رنگ تیره بر اساس طبقهبندی یونیفاید جزء گروه ماسهی بد دانهبندی شده - SP - طبقهبندی میشود. دانهبندی این نوع ماسه در شکل 2 و ویژگیهای آن در جدول 1 آورده شده است. لای فیروزکوه که به طور کامل از الک 200 عبور میکند، با نشانهی خمیری 3 از نوع لای غیرخمیری بوده و به دلیل رنگ سرخ آن، به راحتی با ماسهی بابلسر قابل تمایز است و ویژگیهای آن در جدول 2 آورده شده است.
