بخشی از مقاله
خلاصه
در خاکهای چسبنده علی رغم طراحی مناسب جهت احداث سازهها، وجود ترکهای انقباضی برروی سطح شیروانیها ویا در محل دفن زبالهها و سازههای دیگر، باعث ناکارآمدی این سازهها میگردد؛ لذا برای بررسی این مشکل از پارامتری بنام انرژی شکست استفاده میگردد.
در این مقاله سعی شده است با استفاده از آزمایش خمشی تیر سهنقطه روی خاک چسبنده، انرژی شکست خاک چسبنده در حالت عمود بر جهت تراکم مورد ارزیابی قراربگیرد لذا با ساخت تیرهایی کوچک از جنس خاک کائولینیت انرژی شکست مورد بررسی قرار میگیرد.
1. مقدمه
یکی از مسائلی که در دورههای مختلف ذهن طراحان سازههای مهندسی را به خود مشغول کرده بود، شکست سازه ها در بارهای کمتر از حد انتظار بود. هر چند در برخی موارد طراحی ضعیف علت بروز این خرابیها بود، ولی تحقیقات بعدی روشن کرد که در بسیاری از حوادث نقصهای اولیه در ماده منجر به ایجاد ترک در سازه و شکست آن میگردد. این مهم، توجه محققین را به بررسی مسئله گسترش ترک و شکست معطوف کرد.
ترک کششی در بسیاری از مسائل ژئوتکنیکی اهمیت پیدا میکند. ترک انقباضی در اثر خشکشدگی یا یخزدگی مصالح زمینی مانند خاک، مواد سمنته شده و مصالح راهسازی، نمونهای از ترک کششی است. در بحث پایداری شیروانیها، ترکهای کششی ایجادشده در بالای شیروانی باعث شروع گسیختگی میشود. ترک کششی در مسائلی نظیر شکست هیدرولیکی، آزمایش فشارسنجی و تزریق سیال، که ترکهای شعاعی در طول گمانه گسترش مییابند، و خاکبرداری در مناطق ساحلی اهمیت پیدا میکند.
هدف از این تحقیق یافتن مشخصات ترک چسبنده در نمونههای خاکی، با استفاده از آزمایشهای متداول و کم هزینه، نظیر آزمایش خمش سه نقطهای بر روی تیرهای ساختهشده از مصالح خاکی، میباشداصولاً. از روش ترک چسبنده برای تعیین انرژی شکست مورد نیاز برای رشد یک ترک استفاده میگردد. تعیین دقیق شکل ترک چسبنده در یافتن دقیقتر رفتار بار-جابجایی نقطه اعمال بار و بار-بازشدگی دهانه ترک قطعه یا سازه مؤثر است. مدل ترک چسبنده به معنای در نظر گرفتن تنش بین دو وجه ترک بر حسب تابعی از بازشدگی ترک میباشد. انرژی شکست و تنش چسبندگی از مشخصات ترک چسبنده هستند. با تعیین این مشخصات میتوان مسائل و پدیدههای مرتبط با رشد ترک در خاک را مدلسازی کرد.
2. مشخصات مواد مصرفی
1-2 خاک
دراین تحقیق از خاک رس کائولین که از معدنی در استان آذربایجان غربی تهیه شده است، استفاده میگردد. روی این نمونه از خاک آزمایش دانه بندی هیدرومتری صورت گرفت که نمودار آن در شکل زیر آورده شده است.
نمودار-1دانه بندی
دیگر مشخصات فیزیکی خاک مورد استفاده و روش محاسبهی آن در جدول زیر آورده شدهاست.
جدول-1مشخصات خاک
3. روش آمادهسازی و عمل آوری نمونهها
نمونه تیرهای با ترک لبهای - SENB - 1 از رس کائولینیت ساختهشدهاند. حدود اتربرگ2 برای این خاک بهصورت حد روانی %45 و حد خمیری%25/6 بوده و وزن مخصوص آن برابر 2/6 هست. درصد رطوبت بهینه خاک با آزمایش تراکم استاندارد برابر%24/5 برآورد شده است. خاک با آب مخلوط شده تا رطوبت آن برابر%28 شود که برابر حداقل ضریب هدایت آبی است. این مقدار از رابطه زیر به دست میآید :
که در آن wk درصد رطوبت متناظر با حداقل ضریب هدایت آبی، wopt درصد رطوبت بهینه و PI شاخص خمیری خاک است. به دلیل اینکه برای متراکم کردن آستر رسی به رطوبتی بیشتر از رطوبت بهینه نیاز است، از درصد رطوبت wk استفاده میشود. مخلوط آبوخاک به مدت 24 تا 48 ساعت در نایلونی ریخته میشود تا رطوبت بهصورت یکنواخت درآید. دانسیته به چندین بلوک کوچکتر تقسیم میشود. سپس برای تهیه نمونههای اصلی - ابعاد: 200×30×30 میلیمتر - ، این تیرها برش میخورند.
با این روش تعداد 6 تیر آماده میگردد. تعدادی از تیرها در جعبه دارای منفذ قرار داده میشوند تا بهآرامی خشک شوند. وزن تیرهای در حال خشک شدن هر 6 ساعت اندازهگیری میشود تا کاهش رطوبت ثبت گردد. تیرهای خشکشده در درصد رطوبتهای متفاوتی از جعبه خارج میشوند و برای جلوگیری از تغییر رطوبت در پوششهای پلاستیکی قرار میگیرند. برای یکنواخت شدن رطوبت، تیرهای مذکور حداقل 48 ساعت در پوششها باقی میمانند.
تیرهای با درصد رطوبت بالاتر، مقاومت کمتری دارند؛ بنابراین برای جلوگیری از آسیب دیدن آنها، قبل از انجام آزمایش و در حین آن، باید با دقت حمل گردند. طول شکاف برابر 10 میلیمتر است - تقریباً یکسوم عرض اسمی تیر - .
4. نتایج و بحث
در نمودارهای 2و3 شیب نودار نمونههای با رطوبت 23درصد کمتراز نمونههای 20 درصدی است. تاثیر میزان رطوبت بر میزان حداکثر نیروی قابل تحمل توسط نمونه ها،مدول الاستیسیته و انرژی شکست بیان میگردد. در این شکلها نمودارها ابتدا با شیب تقریبا ثابتی شروع به رشد می-کند تا درنقطهای به حداکثر مقدار خود میرسد و سپس مقدار نیرو شروع به کمشدن میکند، این نقطه، نقطهی شروع ترک میباشد. با افزایش جابجایی نیرو شروع به کاهش میکند تا اینکه مقدار نیرو در نقطهای به میزان ثابتی میرسد این نقطه از نمودار نقطهای است که ترک سرتاسر مقطع نمودار را طی کرده و نمونه کامل شکسته میشود.
همانطور که مشاهده میشود با کمتر شدن میزان رطوبت نمونهها میزان حداکثر نیروی قابل تحمل توسط نمونهها و مدول الاستیسیته افزایش یافته است ومیزان انرژی شکست نمونه ها در جدول - - 2 زیر ارائه گردیدهاست. میزان انرژی شکست در نمونه ها با کاهش رطوبت ابتدا کاهش پیدا میکند و بعد روبه افزایش میرود و میزان حداکثر جابجایی برای نمونهها با کاهش رطوبت کاهش مییابد. میزان انرژی شکست در نمونههای موازی با جهت تراکم بیشتر از نمونههای عمود بر جهت تراکم میباشد که در جدول - - 3 نمایش داده شدهاست.
جدول-2مقادیر انرژی شکست
