بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تاثیر مکش بافتی بر روی رفتار مکانیکی خاکهای غیر ا شباع
خلاصه
تفاوت اساسی بین خاکهای اشباع و غیر اشباع در مکش بافتی موجود در خاکهای غیر اشباع می باشد. به گونه ای که رفتار خاکهای غیر اشباع به میزان زیادی به مقدار مکش بافتی درون آن وابسته است. مکش کل درون خاک از دو جزء مکش بافتی و مکش اسمزی تشکیل شده است. مکش بافتی تا حد بسیار زیادی به رطوبت نسبی درون خاک بستگی دارد.این در حالی است که مکش اسمزی سهم کمی از مکش کل خاک را به خود اختصاص می دهد. به همین دلیل به طور نسبی می توان گفت که کل مکش درون خاک با مکش بافتی برابر است. در این پژوهش با بررسی و تحقیق در چند مقاله، پایان نامه و کتاب پیرامون تاثیر مکش بافتی بر روی رفتار مکانیکی خاکهای غیر اشباع می توان نتیجه گرفت که:-1 مکش بافتی با درصد رطوبت و درجه اشباع رابطه ی معکوس دارد -2. به میزانی که مکش بافتی افزایش می یابد میزان چسبندگی نیز افزایش می یابد.-3همچنین مطالعات نشان می دهد که ضریب نفوذ پذیری در خاکهای غیر اشباع با افزایش مکش بافتی کاهش پیدا می کند.-4 و با بررسی های انجام شده می توان گفت که سهم مکش بافتی در مقاومت برشی خاکهای غیر اشباع سهمی محدود و در عین حال به شدت ناپایدار است.
کلمات کلیدی: خاکهای غیر اشباع ، منحنی مشخصه ی خاکهای غیر اشباع (SWCC) ،مکش بافتی، خواص نفوذ پذیری، مقاومت برشی،
مقدمه:
خاک از سه فاز جامد ، مایع و گاز تشکیل شده است. خاک غیراشباع نیز معمولا به صورت یک سیستم سه فازه در نظر گرفته می شود. ولی بعضی از محققین فصل مشترک آب و هوا را نیز به عنوان فاز چهارم در نظر گرفته اند، چرا که معتقدند اولا مشخصات آن با فازهای مجاور متفاوت است و ثانیا دارای سطوح مرزی مشخص می باشد(.(Ferdlund,1978
پوسته ی قابل انقباض:
فصل مشترک آب و هوا را پوسته قابل انقباض (Contractile skin)نامیده اند.این پوسته دارای خاصیتی است که به آن کشش سطحی گویند. پدیده کشش سطحی در این پوسته از نیروهای بین مولکولی که روی مولکول های آن عمل می کنند حاصل می شود.این نیروها ، با نیروهایی که روی مولکول های داخل آب وارد می شود متفاوت است.
یک مولکول در داخل آب، نیروهای مساوی در تمام جهات را تحمل می کند و بدین معناست که هیچ گونه نیروی نامتعادل کننده وجود ندارد.یک مولکول آب در این پوسته تحت یک نیروی نا متعادل کننده ، به سمت داخل آب قرار می گیرد. .(شکل (1 به علت تعادل پوسته ، یک نیروی کششی در امتداد آن تولید می شود. خاصیت پوسته قابل انقباض که در آن قابلیت تحمل نیروی کششی را ایجاد میکند، کشش سطحی، نامند.
شکل – 1 پدیده ی کشش سطحی
کشش سطحی باعث میشود که پوسته شبیه یک غشاء لاستیکی رفتار کند. این رفتار شبیه یک بالون است که فشار داخل آن از فشار خارجش بیشتر است.یک غشاء دوبعدی انعطاف پذیر تحت فشار های مختلف که در هر طرف آن واقع شود، دارای انحنای مقعر به طرف فشار بیشتر خواهد بود و یک کشش در غشاءاعمال می کندتا در تعادل بماند.تفاوت فشار در سطح منحنی به کشش سطحی و شعاع انحنای سطح مربوط میشود. با
در نظر گرفتن تعادل غشاء(شکل (1 فشار هایی که روی آن عمل می کنند u،U+∆u هستند.
شعاع غشاءبرابر و کشش سطحی می باشند.نیروهای افقی وارد بر غشاء با یکدیگر در تعادلند.با نوشتن نیروها در جهت قائم خواهیم داشت:
با توجه به رابطه (1) خواهیم داشت:
در یک خاک غیر اشباع پوسته قابل انقباض تحت فشار هوایی که بزرگتر از فشار آب است قرار می گیرد. تفاوت این دو فشار را مکش بافتی (Matric suction) گویند:
که در این رابط به معنی فشار آب می باشد.معادله (3)را معادله موئینگی (کلوین) نیز گویند .
رابطه ی بین درصد رطوبت و مکش بافتی:
منحنی مشخصه ی خاکهای غیر اشباع (SWCC) یکی از مهمترین فاکتور های شناخت رفتار خاکهای غیر اشباع می باشد.این فاکتور تاثیر رابطه ی بین مکش درخاک و درصد رطوبت را مشخص می کند.((Fredlund and Rahardjo درصد رطوبت را می توان در سیستم حجمی به صورت درصد رطوبت حجمی معرفی کرد. یک نمونه از منحنی های (SWCC) را می توان در شکل 2 مشاهده کرد. همان گونه که در این شکل مشاهده می شود،نمودار SWCC با توجه به تراز آب در خاک به سه ناحیه تقسیم می شود.ناحیه اول به نام ناحیه ی اصلی مویینگی ( capillary . (fringe zone ناحیه ی دوم به نام ناحیه ی تداوم مویینگی((continuous capillary zone و ناحیه سوم به نام ناحیه ی باقیمانده بدون مویینگی( ( residual zone نامیده می شوند.((Schubert,1975
شکل – 2 منحنی swcc
نقطه ی که بین ناحیه ی اصلی مویینگی و ناحیه ی تداوم مویینگی وجود دارد مشخص کننده AEV می باشد. AEV طبق تعریف عبارت است از مقدار فشار هوایی که نخستین بار وارد بزرگترین حفره ی خاک می شود. در حالت کلی وقتی به بررسی رفتار مکش بافتی خاکهای غیر اشباع می پردازیم ، نکته حائز اهمیت نوع خاک مورد مطالعه می باشد. در این شرایط جهت تعیین مکش بافتی در انواع خاکها نیازمند دانستن پارامتر هایی می باشیم که این پارامترها عبارت اند از -1 مقدار هوای وارد شده درون خاک.-2 درصد رطوبت حجمی خاک.
نتایج تحقیقات ( Lu and Likos,2004) منحنی مشخصه خاکهای غیر اشباع ( (SWCC را برای سه نوع خاک ماسه ، رس و لای نشان میدهد .
شکل – 3 منحنی (swcc) برای ماسه، رس و لای
همان گونه که از شکل مشخص است به ازای یک مکش بافتی یکسان درصد رطوبت حجمی برای ماسه از لای و رس کمتر است علت این امر وجود حفره های بزرگتر بین دانه های ماسه و یکپارچه تر بودن این حفرات می باشد ، این در حالی است که لای به دلیل وجود سطح مخصوص بیشتر و وجود بار الکتریکی در سطح ذرات مقدار آب بیشتری را جذب می کند و مقدار درصد رطوبت حجمی آن به مراتب بیشتر از ماسه می باشد.رس به دلیل آن که بیشترین سطح مخصوص و بار الکتریکی را دارا می باشد درصد رطوبت حجمی آن بیشتر از ماسه و لای است.
نتایج تحقیقات و آزمایشات (Song and et al , 2011) نیز منحنی های مشابهی را نشان میدهد.شکل((4
شکل– 4 منحنی (swcc) برای ماسه، رس و لای
حاصل تحقیقات (Vanapalli and Fredlund and Pufahl,1999) نیز منحنی مشخصه خاکهای غیر اشباع ( (SWCC شکل (5) را برای چهار نوع خاک ذکر شده درجدول 1 نشان می دهد.
جدول -1مشخصات خاکها.
شکل– 5 منحنی (swcc) برای چهار خاک ذکر شده در جدول1
همان گونه که در شکل 5 دیده می شود بر روی محور قائم از درجه ی اشباع به جای درصد رطوبت استفاده شده است این دو کمیت رفتار کاملا مشابهی داشته و منحنی (swcc) بر حسب آزمایش برای هر دو کمیت رسم می شود.
با مقایسه منحنی های حاصل از تحقیقات افراد ذکر شده در فوق می توان نتیجه گرفت که هرچه ذرات خاک به سمت ریز دانه شدن و افزایش چسبندگی پیش می روندتغییرات مکش بافتی نسبت به درصد رطوبت حجمی افزایش یافته و در ازای یک درصد رطوبت ثابت مکش بافتی افزایش می یابد. همچنین با توجه به نتایج (Liu and Pengli he and Huang,2011) حاصل از انجام آزمایش سه محوری بر روی نمونه خاک رس ولای غیر اشباع(شکل( 6 و فیت کردن نقاط حاصل از آزمایش بر روی منحنی رابطه ی زیر حاصل شد که رابطه بین مکش بافتی ، درصد رطوبت و تنش همه جانبه را نشان می دهد:
در این رابطه به معنی مکش بافتی ، w به معنی درصد رطوبت و تنش همه جانبه می باشد.
شکل– 6 محفظه آزمایشسه محوریبرای منحنی (swcc)
با توجه به رابطه ی((4 ومنحنی های ارائه شده در بالا می توان نتیجه گرفت که بین مکش بافتی و درصد رطوبت رابطه عکس وجود دارد ، یعنی با افزایش درصد رطوبت در خاکهای مختلف مکش بافتی کاهش می یابد.
علت این امر آن است که وقتی مکش بافتی یک خاک افزایش می یابد، شعاع انحنای پوسته قابل انقباض کاهش می یابد. این پوسته منحنی را غالبا (منیسک)گویند. بر اساس قانون یورین اندازه مکش در خاک غیر اشباع با شعاع انحنای منیسک های موئینه ایجاد شده در حفرات مرتبط است. به طور کلی با کاهش شعاع منیسک ها مقدار مکش بافتی افزایش می یابد.در شکل(7-1و(7-2 شعاع منیسک ها در خاک دانه ای و خاک ریز دانه نشان داده شده است.
در خاکهای ریز دانه بخشی از آب وارد ساختار ذرات رسی شده و این ذرات را به هم می چسباند.آبی که باعث مکش در خاکهای ریز دانه می شود،آب بین توده های رسی به هم چسبیده و یا توده های رسی با لای است و شعاع انحناء سطح این آب به عنوان شعاع انحناءمنیسک در نظر گرفته می شود.تنها راه افزایش مکش در خاکها ، خشک کردن خاک یعنی کاهش درصد رطوبت آن می باشد.با کاهش درصد رطوبت شعاع انحناء منیسک کاهش می یابد و در نتیجه مکش در خاک بیشتر می شود.
ضریب نفوذ پذیری نسبت به فاز آب:
به مقدار فضا ی قرار گرفته در اختیار آب برای جریان در خاک ، ضریب نفوذ پذیری نسبت به فاز آب گفته می شود.که این ضریب به خصوصیات سیال و محیط متخلخل بستگی دارد. ضریب نفوذ پذیری نسبت به آب را با kw می توان نشان داد که:
که در این رابطه به معنی دانسیته آب و به معنی ویسکوزیته مطلق آب و kبه معنی نفوذ پذیری ذاتی خاک می باشد.
ضریب نفوذ پذیری در خاکهای غیر اشباع تحت تاثیر تغییرات نسبت پوکی و درجه اشباع خاک می باشد. تغییرات نسبت پوکی در یک خاک غیر اشباع معمولا کوچک است و تاثیر آن بر روی ضریب نفوذپذیری در جایگاه نخست قرار نمی گیرد. درحالی که اثرات تغییر درجه اشباع بر روی این ضریب از اهمیت بالایی بر خوردار است.به همین دلیل معمولا ضریب نفوذ پذیری به صورت تابعی از درجه اشباع بیان می شود.از طرفی درجه اشباع نیز خودتابعی از مکش بافتی است ، به همین دلیل می توان نتیجه گرفت که ضریب نفوذپذیری به مکش بافتی نیز وابسته است.رابطه ی بین درجه اشباع ومکش بافتی کاملا مشابه رابطه بین درصد رطوبت و مکش بافتی است.
