بخشی از مقاله
خلاصه
خاک ها به عنوان یک محیط سه فازی معرفی می شوند که شامل فاز های جامد - دانه های جامد خاک - ، مایع - آب - و گاز - هوای موجود در بافت خاک - می باشند. خواص مکانیکی خاک ها بطور مستقیمی به اثر متقابل این سه فاز ها با یکدیگر و پتانسیل های اعمالی مانند تنش، بار هیدرولیکی، پتانسیل الکتریکی و درجات مختلف دما، بستگی دارد. از نظر میزان رطوبت، خاک ها به دو دسته اشباع - همه منافذ خاک با آب پر شده است - و غیراشباع - بخشی از منافذ خاک با آب پر شده است - تقسیم می شوند.
درصد زیادی از شالوده ساختمان ها، رو سازی راه ها و خاکریز های مهندسی در حالت غیر اشباع هستند و در طی چرخه های تر و خشک شدن سالیانه و یا فصلی دچار تورم یا انقباض شده و باعث ایجاد تخریب در سازه های موجود می گردند. با هدف شبیه سازی رفتار هیدرو- مکانیکی این خاک ها، باید تنش موثر در خاک های غیر اشباع را محاسبه نمود.
در سال های اخیر، روش تنش موثر در مدل های ساختاری خاک های غیر اشباع، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در این روش پارامتر تنش موثر نقش مهمی را ایفا می کند که باید به درستی انتخاب شده باشد. تا کنون روابط مختلفی برای محاسبه پارامتر تنش موثر توسط محققین، ارائه شده است. در این مقاله با استفاده از داده های آزمایشگاهی Khalili و - 2010 - Zargarbashi، به مقایسه و تحلیل تعدادی از روابط مهمی که برای بیان پارامتر تنش موثر ارائه شده است، پرداخته می شود.
.1 مقدمه
خاک ها از جهات مختلفی مورد طبقه بندی قرار می گیرند که می توان به طبقه بندی از جهات اندازه توزیع دانه ها، میزان رطوبت موجود در ساختار، رفتار فیزیکی و شیمیایی، میزان تراکم پذیری، قابلیت جذب آب، ظرفیت باربری و ... اشاره کرد. از نقطه نظر طبقه بندی خاک ها بر اساس میزان طوبت موجود در آن ها، خاک ها به دو دسته خاک های اشباع و خاک های غیر اشباع تقسیم می شوند.
درصد زیادی از شالوده ساختمان ها، رو سازی راه ها و خاکریز های مهندسی در حالت غیر اشباع هستند و در طی چرخه های تر و خشک شدن سالیانه و یا فصلی دچار تورم یا انقباض شده و باعث ایجاد تخریب در سازه های موجود می گردند. سالیان زیادی خاک های غیر اشباع در طراحی، تجزیه و تحلیل ساخت و سازه های مهندسی عمران، یا نادیده گرفته می شدند یا در مقایسه با چارچوب سنتی مکانیک خاک اشباع، به طور نامناسبی مورد استفاده بوده اند. لیکن پیشرفت سریع یافته های رفتار خاک غیر اشباع طی 30 تا 40 سال گذشته، باعث شد تا مهندسین عمران کنونی درک کنند که اکنون برای مواجه با مشکلات مربوط به خاک های غیر اشباع، فرصتی متکی به بنیانی بسیار مستدلتر وجود دارد.
یکی از مفاهیم اساسی که در توصیف رفتار خاک ها، چه اشباع و غیر اشباع، بکار برده می شود، اصل تنش موثر است که به منظور مطالعه در زمینه ظرفیت باربری، مقاومت برشی، قابلیت تراکم پذیری و ... در خاک ها، از آن استفاده می شود. اولین رابطه ای که برای تنش موثر در خاک های غیر اشباع ارائه شد، توسط - 1959 - Bishop بود [1] که البته این رابطه، یک رابطه خام تلقی می شد و محققین زیادی به تصحیح و بهبود و رفع نواقص آن پرداختند و هنوز هم رابطه ای که برای تنش موثر وجود دارد، دارای نواقص و کاستی هایی می باشد و سوالاتی در آن وجود دارد که هنوز دانشمندان موفق به پاسخ گویی آن نشده اند.
با هدف شبیه سازی رفتار هیدرو- مکانیکی این خاک ها، باید تنش موثر در خاک های غیر اشباع را محاسبه نمود. در سال های اخیر، روش تنش موثر در مدل های ساختاری خاک های غیر اشباع، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در این روش پارامتر تنش موثر نقش مهمی را ایفا می کند که باید به درستی انتخاب شده باشد . تا کنون روابط مختلفی برای محاسبه پارامتر تنش موثر توسط محققین ارائه شده است. در این مقاله، ابتدا به مرور ادبیات و یافته های موجود در زمینه تنش موثر و پارامتر تنش موثر در خاک غیراشباع، پرداخته می شود و سپس با استفاده از داده های آزمایشگاهی Khalili و [2] - 2010 - Zargarbashi، به مقایسه و تحلیل تعدادی از روابط مهمی که برای بیان پارامتر تنش موثر ارائه شده است، پرداخته می شود.
.2 مروری بر مفاهیم کلی در خاک های غیر اشباع
.1 .2 مفهوم خاک غیر اشباع
بر روی خاک اشباع از حدود یک قرن پیش مطالعات و بررسی ها آغاز شده است. اصول کلی، معادلات و مدل های مربوط به مکانیک خاک های اشباع، برای تحلیل و پیش بینی رفتار خاک اشباع تبیین شده است. ولی در زمینه خاک غیراشباع در حدود چند دهه بیشتر نیست که مطالعات و بررسی ها آغاز شده است. مطالعه بر روی خاک اشباع در مقایسه با خاک غیراشباع، ساده تر و از پیچیدگی های کمتری برخوردار است .[3] آن هم به این دلیل است که در خاک غیراشباع، در حفرات، هم آب وجود دارد هم هوا و باید اثرات متقابل و سطح مشترک بین آن ها با یکدیگر و با دانه های جامد خاک بررسی شوند در حالیکه در خاک اشباع تمامی حفرات با آب پر هستند و چیزی تحت عنوان هوا در آن وجود ندارد بنابراین لازم است که به خاک غیر اشباع توجه بیشتری صورت گیرد.
با تعمیم تعریف کلاسیک ترزاقی، مکانیک خاک غیراشباع می تواند تحت این عنوان تعریف شود: "کاربرد قوانین مکانیک، هیدرولیک و فیزیک بین سطحی برای مسائل مهندسی درگیر با خاک هایی با درجه اشباع جزئی" .[4] خاک های غیراشباع حدود %40 درصد خاک های سطح زمین را تشکیل می دهند که شامل رس های متورم شونده، خاک های گسیخته شده، خاک های پسماند و غیره می باشند. اصل کلی تنش موثر بعنوان یک ابزار مهم برای سنجش کمی واکنش های مکانیکی خاک اشباع و غیراشباع، مورد استفاده قرار می گیرد.
در واقع این اصل در معادلات و روابط ساختاری الاستیک و الاستوپلاستیک ساختمان خاک وارد می شود و باعث تغییر در مقادیر تنش و تغییرشکل نسبی، و کمیت های نسبی وابسته دیگر ساختمان خاک، می شود علاوه بر این، این اصل یک پلتفرمی را برای چفت شدگی* ساختمان خاک، برای تغییرات حجم اجزای تشکیل دهنده آب و خاک همراه با سیستم حفره، فراهم می کند
بدون ظهور اصل تنش موثر، بسیاری از دستاورد های مهم مکانیک جامدات مانند، الاستوپلاستیسیته، ویسکو پلاستیسیته، انتشار امواج و روش های عددی، در مهندسی خاک ها توسعه نمی یافتند. طبق تعریف، تنش موثر عبارتست از "عملکردیست از تنش کل و فشار حفره ای خاک که اثرات مکانیکی خاک بر تغییرات تنش را کنترل می کند"
.2 .2 مفهوم کلی تنش موثر در خاک غیراشباع
اصل کلی تنش موثر در ابتدا توسط کارل ترزاقی به عنوان یک اصل مهم و اساسی در مکانیک خاک های اشباع بیان شد .سپس توجهات بسیاری برای توسعه و تعمیم این اصل برای خاک های غیراشباع صورت گرفت
تنش موثر ترکیبی است از تنش کل و فشار فاز مایع در داخل محیط های متخلخل، که رفتار مکانیکی محیط های متخلخل - در این مطالعه منظور از محیط متخلخل،خاک می باشد - را توصیف می کند .
مطابق با مطالعه Khalili و همکاران، اصل تنش موثر " یک حالت دارای تخلخل متوسط چند فازی چند تنشی را با استفاده از اصل مکانیک جامدات پیوسته به حالت تک فازی تک تنشی پیوسته تبدیل می نماید.".[9] البته این امر بیشتر برای خاک های غیراشباع صادق است تا برای خاک های اشباع.
