بخشی از مقاله
خلاصه
مدول برشی کرنشهای کوچک - G0 - از پارامترهای دینامیکی مهم خاک میباشد. مدول برشی کرنشهای کوچک ماسه های تمیز یا رسهای خالص در تحقیقات زیادی مورد بررسی قرار گرفته است؛ لیکن این پارامتر برای ماسههای دارای ریزدانه کمتر مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق، تاثیر درصدهای پائین ریزدانه از نوع پلاستیک - رس - و غیرپلاستیک - سیلت - بر روی G0 ماسه مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است.
به این منظور بیش از 1400 آزمایش المان خمشی - Bender Element - بر روی 123 نمونه، شامل ماسه خالص و ترکیب ماسه با حداکثر 15 درصد ریزدانه رسی و سیلتی با نسبت های تخلخل مختلف انجام گرفته است. مشاهده شده است، صرفنظر از نوع ریزدانه، با افزایش ریزدانه به ماسه در یک نسبت تخلخل ثابت، G0 کاهش می یابد و میزان این کاهش به نوع ریزدانه بستگی دارد. همچنین با توسعه روابط تجربی موجود برای G0، رابطه ای جدید برای ماسه دارای درصد پائین ریزدانه ارائه شده است.
1. مقدمه
بطور کلی رفتار تنش-کرنش خاک غیرخطی است. همان طور که در شکل 1 ملاحظه میشود، مدول برشی خاک تابعی از میزان کرنش میباشد و با افزایش کرنش برشی، مدول برشی خاک کاهش مییابد. مدول برشی کرنشهای کوچک - G0 - در کرنشهای بسیار کوچک تعریف میشود. G0 از پارامترهای دینامیکی خاک و سایر محیطهای پیوسته بوده و برای پیشبینی رفتار خاک و سیستم خاک- سازه در بارگذاریهای زلزله، انفجار، ارتعاشات ترافیکی، ارتعاشات ماشینآلات، باد و غیره مورد استفاده قرار میگیرد.
همچنین به هنگام ایجاد کرنشهای بزرگ نیز یکی از پارامترهای رفتار غیرخطی خاک است. این پارامتر با برخی پارامترهای خاک مانند پتانسیل روانگرایی رابطه دارد. همچنین در آئین نامه های بارگذاریهای لرزهای به عنوان معیاری از نوع زمین معرفی شدهاست. مدول برشی کرنشهای کوچک برای محیطهای الاستیک توسط رابطه زیر از روی سرعت موج برشی - Vs - و چگالی - - بدست میآید:
سرعت موج به روشهای مختلفی در محل و آزمایشگاه اندازهگیری میشود. آزمایشهای ستون تشدید - Resonant Column - و المان خمشی - Bender Element - ، برای اندازهگیری سرعت موج در آزمایشگاه استفاده میشوند. شایان ذکر است در آزمایش ستون تشدید از فرکانس پاسخ خمشی و یا پیچشی برای تخمین مشخصات خاک استفاده میشود، لیکن در آزمایش المان خمشی، سرعت موج به صورت مستقیم اندازهگیری میشود. در شکل 1، حدود کرنش در آزمایشهای مختلف آزمایشگاهی ارائه شده است. همان طور که ملاحظه میشود، آزمایش المان خمشی، مدول برشی را در کمترین کرنش در بین سایر روشهای آزمایشگاهی اندازهگیری کرده و بنابراین میتوان مدول برشی حداکثر را توسط این آزمایش بدست آورد.
شکل -1 تغییرات مدول برشی با کرنش و روشهای اندازهگیری این پارامتر در کرنشهای مختلف
مدول برشی کرنشهای کوچک و سرعت موج برشی ماسههای تمیز در تحقیقات زیادی مورد بررسی قرار گرفته است .همچنین مدول برشی کرنشهای کوچک و سرعت موج برشی رسهای خالص نیز موضوع تحقیقات زیادی بوده است . لیکن این پارامترها برای ماسههای دارای ریزدانه کمتر مورد بررسی قرار گرفته است
ایوازاکی و تاتسوکا با انجام آزمایشهای ستون تشدید نشان دادند که در یک نسبت تخلخل ثابت، با افزایش ریزدانه غیرپلاستیک به ماسه تا %14، G0 به سرعت کاهش مییابد - شکل. - 2 کاهش G0 با افزایش میزان ریزدانه در محاسبه ظرفیت باربری محوری شمعها توسط رندولف و همکاران نیز در نظر گرفته شده است .
سالگادو و همکاران در سال 2000، یک سری آزمایش المان خمشی بر روی ترکیب ماسه اتاوا با 5 تا 20 درصد ریزدانه انجام دادند [11] و مشاهده کردند G0 حتی با افزودن مقدار کم ریزدانه به شدت کاهش مییابد. برای مثال آنها نشان دادند در تنش همهجانبه 100 کیلوپاسکال و با دانسیته نسبی 50 درصد، با افزایش 5، 10، 15 و 20 درصد سیلت به ماسه، G0 به ترتیب 16، 26، 48 و 53 درصد کاهش مییابد. کاهش سرعت موج برشی با افزایش ریزدانه غیرپلاستیک تا 30 درصد، در تحقیق هوانگ و همکاران نیز مشاهده شده است .
شکل -2 کاهش مدول برشی کرنشهای کوچک با افزایش میزان ریزدانه
در خصوص G0 برای ماسههای رسی، تحقیقات کمتری نسبت به ماسه های سیلت دار انجام گرفته است. همچنین در نتایج تحقیقات انجامگرفته هم تناقضاتی وجود دارد. مطالعات گذشته نشان داده اند که برای رسهای عادی تحکیم یافته، G0 به پلاستیسیته خاک بستگی ندارد، لیکن برای رسهای پیش تحکیم یافته با افزایش پلاستیسیته، G0 افزایش مییابد .
این درحالی است که زن و همکاران نشان دادهاند که برای مخلوط ماسه تویورا و خاک رس دریایی، G0 با افزایش اندیس خمیری - PI - افزایش مییابد . آزمایشهای انجام گرفته بعدی که بر روی ترکیب ماسه تویورا و رس دریایی انجام گرفت، افزایش G0 با افزایش پلاستیسیته را تأیید کردند .[15] اخراًی کارارو و همکاران 300 آزمایش المان خمشی بر روی ماسه اوتاوا با 2، 5، 10 و 15 درصد سیلت پلاستیک و 2، 5 و 10 درصد رس کائولونیت انجام دادند و نشان دادند که G0 با افزایش هر دو نوع ریزدانه پلاستیک و غیرپلاستیک کاهش مییابد. آنها نشان دادند پاسخ کرنش کوچک ماسههای دارای ریزدانه پلاستیک یا غیرپلاستیک هم از میزان ریزدانه و هم از نوع ریزدانه تأثیر میپذیرد. همچنین بر اساس یافتههای آنها، G0 ماسههای رس دار از G0 ماسههای سیلت دار در دانسیته نسبی و شرایط تنش یکسان بیشتر میباشد .
در این تحقیق، تاثیر درصدهای پائین ریزدانه بر روی مدول برشی کرنشهای کوچک ماسه مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور بیش از 1400 آزمایش المان خمشی بر روی 123 نمونه شامل ماسه خالص و ترکیب ماسه با حداکثر 15 درصد ریزدانه از نوع پلاستیک - رس - و غیرپلاستیک - سیلت - با نسبت های تخلخل مختلف انجام گرفته است. همچنین با توسعه روابط تجربی موجود برای مدول برشی کرنشهای کوچک، رابطه ای برای ماسه دارای ریزدانه با درصد پائین ارائه شده است.
2. مصالح مورد استفاده
در این تحقیق، برای انجام آزمایشها از ماسه فیروزکوه شماره 161 به عنوان خاک پایه استفاده شده است. این ماسه از نوع شکسته سیلیسی با دانه بندی یکنواخت بوده و در آزمایشهای ژئوتکنیکی در ایران استفاده میشود. همچنین از پودر میکرونیزه فیروزکوه به عنوان ریزدانه غیرپلاستیک - سیلت - ، کائولونیت به عنوان ریزدانه پلاستیک - رس - با پلاستیسیته پایین و بنتونیت به عنوان رس با پلاستیسیته بالا استفاده شده است. در شکل 3، منحنی دانه بندی این مصالح ارائه شده است. همچنین مشخصات فیزیکی مصالح خاکی مورد استفاده در این تحقیق شامل ماسهها، سیلت و رسها در جدول 1 ارائه شده است. در این جدول طبقهبندی این خاکها بر اساس سیستم طبقهبندی متحد - یونیفاید - نیز ارائه شده است.
جدول -1 مشخصات فیزیکی مصالح و طبقهبندی خاکها
شکل -3 منحنی دانهبندی مصالح مورد استفاده در این تحقیق
3. روش آزمایش
برای اندازه گیری سرعت موج برشی و در نتیجه بدست آوردن G0، از آزمایشهای المان خمشی - Bender Element - استفاده شده است. به این منظور، المانهای خمشی بر روی دستگاه سه محوری سوار شده است. شایان ذکر است، کلیه آزمایشهای بر روی نمونههای اشباع انجام گرفته است.
1,3 روش بازسازی نمونه ها و اشباع سازی
روشهای مختلفی برای بازسازی نمونههای آزمایشهای المان - برای مثال آزمایشهای سه محوری، تحکیم و ... - پیشنهاد شده است که متداولترین این روشها بارش خشک، بارش در آب و کوبش مرطوب میباشد؛ از میان روشهای مختلف ساخت نمونه از قبیل بارش خشک، بارش در آب و کوبش مرطوب، بیشترین دامنه تخلخل با استفاده از روش کوبش مرطوب قابل حصول میباشد
همچنین هوانگ و همکاران نشان دادند نمونههایی که به روش کوبش مرطوب بازسازی میشوند یکنواخت بوده و اندازهگیری سرعت موج برشی در آنها تکرارپذیر میباشد .[12] در روش کوبش مرطوب، جداشدگی دانهها به وقوع نمیپیوندد؛ جداشدگی دانه ها یکی از اشکالات عمده روشهای بارش خشک و بارش در آب میباشد. هرچند باید توجه شود که روش کوبش مرطوب شرایط واقعی تشکیل خاکهای ماسهای دارای ریزدانه را شبیهسازی نمینماید.
در این تحقیق از روش کوبش مرطوب برای بازسازی نمونهها استفاده شده است. به منظور بازسازی نمونهها به روش کوبش مرطوب، ابتدا ماسه و ریزدانه با درصد مورد نظر به صورت خشک مخلوط شده و سپس 5 درصد وزنی آب به ترکیب اضافه شده است
