بخشی از مقاله
خلاصه
افزایش فشار آب حفرهاي در حین بارگذاريهاي تناوبی و یا لرزهاي به عوامل مختلفی بستگی دارد. در این بین جهت بارگذاري و مقدار تنش میانی تاثیر بسزایی بر رفتار خاك و توسعه فشار آب حفرهاي دارند. در این مقاله اثر جهت محور تنش اصلی بیشینه نسبت به محور قائم - α - ، بر روي فشار آب حفرهاي اضافی ماسههاي متراکم بابلسر و تویورا مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از دستگاه استوانه توخالی تناوبی یکسري آزمایش سیکلی در شرایط کنترل شده از نظر α انجام شد. نتایج نشان داد که جهت محور تنش اصلی بیشینه تاثیر بسزایی بر فشار آب حفرهاي ماسه متراکم دارد.
بطوریکه با تغییر در جهت محور بارگذاري از شرایط بارگذاري محوري - α=10° - به شرایط بارگذاري برشی - α=45° - ، فشار آب حفرهاي گذراي بالاتر و فشار آب حفرهاي ماندگار کمتري بوجود خواهد آمد. نتایج همچنین نشان داد اثر جهت محور بارگذاري بر فشار آب حفره اي، به دانه بندي و شکل دانههاي ماسه نیز وابسته است.
کلمات کلیدي: جهت محور تنش اصلی بیشینه، فشار آب حفرهاي، ماسه، دستگاه استوانه توخالی تناوبی
مقدمه
افزایش فشار آب حفرهاي خاك در حین زلزله و یا شمع کوبی یکی از مباحث مورد بررسی در بسیاري از تحقیقات انجام شده به شمار رفته که هنوز هم بعنوان موضوع بسیاري از تحقیقات روز، به شمار میرود . روانگرایی بوجود آمده در زلزله سال 1964 نیگاتاي ژاپن خرابیهاي فراوانی ایجاد کرد اما نتایج حاصل از تحقیقات انجام شده بر روي این زلزله منجر به تحولات بزرگی در دانش روانگرایی شد. در همین راستا تحقیقات زیادي بر روي بررسی فاکتورهاي موثر بر مقاومت روانگرایی ماسههاي تمیز متمرکز شد . در حین زلزله، تنشهاي برشی ناشی از عبور امواج برشی منجر به کرنشهاي برشی تناوبی شده و با تغییر در ساختار خاك، موجب تولید فشار آب حفرهاي اضافی خواهد شد.
فشار آب حفرهاي اضافی بوجود آﻣﺪه در خاك شامل دو مولفه فشار آب حفرهاي گذرا3 و فشار آب حفرهاي ماندگار4 میشود. در خاکهاي اشباع، فشار آب حفره اي گذرا برابر با تغییرات میانگین تنشهاي نرمال5 می باشد لذا فشار آب حفرهاي گذرا تاثیر کمی بر تنشهاي موثر خاك خواهد داشت. فشار آب حفرهاي ماندگار از خرابی پیش رونده در اسکلت خاك - کرنشهاي پلاستیک - ناشی شده و تنشهاي موثر خاك را تغییر میدهد، علاوه بر این تاثیر مستقیمی بر مقاومت و سختی خاك دارد.
مقدار فشار آب حفرهاي ماندگار در آزمایشات تنش کنترل شده زمانی اندازه گیري میشود که تنش تفاضلی بیشینه، صفر شده و یا از صفر عبور کند .[6] بعبارت دیگر فشار آب حفره اي ماندگار برابر با فشار آب حفرهاي اضافی در شرایطی است که تنش برشی در خاك وجود ندارد. در هر سیکل بارگذاري این فرآیند با عبور مقدار تنش تفاضلی - q= - σ1-σ3 - /2 - از صفر، رخ میدهد.فشار آب حفرهاي ماندگار معمولاً بصورت نسبت فشار آب حفرهاي ماندگار - نسبت فشار حفرهاي - تعریف میشود.
نسبت فشار حفرهاي - rur - بصورت نسبت فشار آب حفرهاي ماندگار - ur - به تنش موثر همه جانبه - σ'0m - تعریف میشود . - rur=u r / σ'0m - این نسبت از صفر - عدم فشار آب حفره اي اضافی در خاك - تا یک - انتقال کامل فشار آب بر خاك یا روانگرایی - تغییر میکند و لذا دید بهتري نسبت به فشار آب حفرهاي ماندگار ایجاد خواهد کرد. عوامل زیادي بر روي روند تولید فشار آب حفرهاي اضافی خاکهاي ماسهاي موثرند. در این بین ناهمسانی یکی از پارامترهاي تاثیرگذار بر روي تولید فشار آب حفرهاي در خاكهاي دانهاي تحت تاثیر بارگذاري سیکلی زهکشی نشده به شمار میرود. در طی دهه هاي اخیر مطالعات مختلفی بر روي ناهمسانی خاكها انجام شده است.کاساگراند و کارلیو دو مکانیزم کلی ناهمسانی شامل ناهمسانی ذاتی و ناهمسانی القایی را پیشنهاد کردند.
نهشته هاي طبیعی خاك بعلت نحوة تهنشینی ذرات و نیز شکل دانهها، بطور ذاتی ساختاري ناهمسان دارند. ناهمسانی ذاتی به وضعیت غیرهمسان بافت خاك در شرایط قبل از برش اطلاق میشود که عمدتاً تحت تاثیر شکل دانه ها و جهت قرار گیري آنها است. ساختارهاي دانهاي غیر چسبنده1 براي رسیدن به آرایش پایدار و نیز تعادل نیروهاي داخلی در اثر بارگذاري ، بطور مداوم در حال تغییر شکل میباشند. تغییرات ساختار خاك ممکن است منجر به افزایش تدریجی درجه ناهمسانی شود. این تغییرات ناشی از برش، بعنوان ناهمسانی القایی شناخته میشوند.
غیر همسانی القایی خاك از تغییر شکل تدریجی میکروساختار خاك در حین برش ناشی میشود که مستقل از شرایط اولیه خاك و نوع اتصال بین دانهاي است.با توجه به شرایط تشکیل نهشتههاي خاکی، رفتار خاك را در جهت محور ته نشینی می توان همسان در نظر گرفت. علاوه بر این رفتار خاك در تمامی محورهاي افقی نیز مشابه بوده و امکان تعریف یک صفحه همسان - عمود بر محور ته نشینی - نیز وجود دارد. در این شرایط خاك ناهمسان عرضی در نظر گرفته میشود.
در مصالح ناهمسان عرضی، تنشهاي اصلی موثر σ'1 - ، σ'2 و - σ'3 و همچنین انحراف σ'1 نسبت به محور ته نشینی ذرات، رفتار خاك را مشخص میکنند. به جهت سادهسازي، چهار پارامتر مقدار تنش میانگین موثر - - σ'0m، پارامتر تنش میانی - - b، تنش تفاضلی - σ'd - و زاویه محور تنشهاي اصلی - - α جهت بررسی ناهمسانی استفاده میشوند. در این تحقیق تاثیر جهت محور تنشهاي اصلی در حین پروسه تحکیم و نیز در شرایط بارگذاري سیکلی زهکشی نشده، بروي فشار آب حفرهاي اضافی نمونههاي ماسهاي شل تحکیم ناهمسان یافته مورد بررسی قرار گرفته است.
دستگاه مورد استفاده
جهت انجام آزمایشهاي این تحق یق از دستگاه استوانه توخالی تناوبی استفاده شده است که مشخصات اصلی دستگاه، محدودة بارگذاري و نتایج قابل استحصال در جدول 1 ارائه شده است. سیستم بارگذاري و اعمال نیروي این دستگاه پنوماتیکی بوده و از تجهیزات الکترونیکی متعددي جهت اندازهگیري نیرو، کرنش و فشار استفاده میشود. این دستگاه حرکتهاي مکانیکی را به سیگنالهاي الکترونیکی تبدیل می کند تا امکان جمع آوري و سنجش آنها توسط دستگاه قرائت مرکزي فراهم شود.
براي کنترل دقیق مقادیر تنش و کرنش، ارتباط مشخصی بین پنج مولفه نرم افزار دستگاه، سیستم جمع آوري سریع اطلاعا ت، شیرهاي اتوماتیک، محرکهاي بار محوري و ترك پیچشی و مبدلهاي بار، فشار و تغییر مکان برقرار میشود. کنترل این مولفهها توسط یک حلقه بسته2 انجام می پذیرد که در شکل 1 نشان داده شده است. این دستگاه قادر به کنترل پنج محور مستقل نیروي محوري، ترك پیچشی، فشار سلول داخلی، فشار سلول خارجی و پس فشار، در فرکانس 1 هرتز میباشد. نمونه ها ساخته شده توسط این دستگاه داراي قطر خارجی 100 میلیمتر، قطر داخلی 60 میلیمتر و ارتفاع 200 میلیمتر می باشند.
روش انجام آزمایشات و مصالح مورد استفاده
آزمایشات این تحقیق بر روي ماسه بابلسر - واقع بر سواحل دریاي خزر - و ماسه مصنوعی و استاندارد تویوراي ژاپن انجام شده است. با انجام آزمایشهاي شاخص بر اساس استانداردهاي ASTM، خصوصیات مکانیکی ماسهها تعیین شد که نتایج آن در جدول 2 ارائه شده است. با توجه به نتایج آزمایشات شاخص انجام شده و براساس طبقهبندي یونیفاید، ماسه بابلسر در ردة ماسههاي با اندازة دانه متوسط و بد دانه بندي شده - SP - و ماسه تویورا نیز داراي دانهبندي ریزتر و بد دانه بندي شده - SP - طبقه بندي میشوند. شکل 3 منحنی دانه بندي این دو ماسه را نشان میدهد.
در شکل 4 عکس میکروسکپی دانههاي ماسه بابلسر و تویورارا نشان داده شده است . همانطور که از این شکل مشخص است، ماسه بابلسر داراي دانه بندي نسبتاً یکنواخت بوده و از نظر ظاهري شکل دانهها نیمه مدور3 تا نیمه ﮔﻮﺷﻪدار1 است. ماسه تویورا نیز یک ماسه یکنواخت با دانههايعمدتاً نیمه گوشه دار میباشد.
منحنی دانه بندي ماسه هاي بابلسر و تویورا
از آنجا که هدف اصلی این تحقیق بررسی اثر جهت اعمال تنشهاي اصلی - α - بر روي افزایش فشار آب حفرهاي ماسه متراکم و تحکیم همسان یافته بود، یکسري آزمایش سیکلی زهکشی نشده توسط دستگاه استوانه توخالی تناوبی بر روي این دو ماسه انجام شد. براي ساخت نمونهها نیز از تکنیک تراکم کاهش یافته به روش کوبش مرطوب استفاده شد. درصد تراکم نمونه ها در انتهاي مرحله تحکیم، در محدودة 71 الی 79 درصد - بطور متوسط - %75 قرار گرفت. براي اشباع نمونه ها، ابتدا گاز دي اکسید کربن و سپس آب بدون هوا از درون نمونه ها عبور داده شد. مرحله اشباع کامل با افزایش مرحلهاي پس فشار و تا رسیدن مقدار ضریب اسکمپتون - B - به حدود 0/95 ادامه یافت. در مرحله بعد، نمونه ها تحت تنش همه جانبه 150 کیلوپاسکال و بصورت همسان، تحکیم پیدا کردند.
