بخشی از مقاله
چکیده
درك صحیح از رفتار مکانیکی سطوح تماس بین سنگ- بتن و سنگ- سنگ، نقش مهمی در طراحی و اجراي بسیاري از پروژههاي مهندسی مرتبط با سنگها دارد. از جملهي این پروژهها میتوان به تونلهاي راه و راهآهن، تونلهاي انتقال آب و سایر خدمات، فونداسیون سدها و سیلوها، مغارهاي بزرگ نیروگاههاي برق آبی، شمعهاي ساخته شده در زمین و مخازن ذخیرهي نفت اشاره کرد.
طراحی و مدلسازي عددي این پروژهها نیازمند تعیین پارامترهاي تماسی از جمله مقاومت برشی حداکثر ، سختی نرمال، سختی برشی، چسبندگی، ضریب اصطکاك میباشد که عموما در آزمایشگاه توسط دستگاه برش مستقیم تعیین میشوند. عمدهي مطالعات آزمایشگاهی و روشهاي مدلسازي سطوح تماسی، تحت شرایط تنش نرمال ثابت صورت گرفته است.
تحت این شرایط، تنش نرمال موثر بر روي سطح، طی فرآیند برش ثابت باقی میماند. این در حالی است که در بسیاري از موارد، سطوح تماس سنگ- بتن و سنگ- سنگ بعلت ناهموار بودن آنها، طی فرآیند برش اتساع مییابند. از طرفی بعلت حضور بسیاري از پروژههاي مهندسی در اعماق زمین، از اتساع آزادانهي آنها جلوگیري میشود. این امر سبب افزایش تنش نرمال موثر بر سطح تماسی میشود.
بطوري که مقاومت برشی تماسی افزایش یافته و رفتار نرم شوندگی کرنش تبدیل به رفتار سخت شوندگی میشود. در نظر گرفتن این اثر نقش بسزایی در ارائه یک طرح موفق براي پروژهها خواهد شد. براي شبیهسازي صحیح این تغییرات باید از دستگاه برش مستقیم تحت شرایط سختی نرمال ثابت استفاده کرد. اخیرا مطالعاتی در این زمینه جهت طراحی این دستگاه در آزمایشگاه مکانیک سنگ دانشگاه تهران صورت گرفته است.
در این مقاله مروري بر دستگاه طراحی و ساخته شده به این منظور صورت گرفته و رفتار مکانیکی برخی از سطوح تماسی تحت شرایط سختی نرمال ثابت بررسی و روشهاي مدلسازي آنها مطرح شده است.
1. مقدمه
ارزیابی صحیح پارامترهاي تماسی سطوح اندرکنش بتن- سنگ و سنگ- سنگ، نقش مهمی در طراحی و ساخت انواع سازههاي سنگی ، تحلیل پایداري شیبهاي سنگی و طراحی شمعهاي ساخته شده در سنگ ایفا میکند. پارامترهاي تماسی میتواند از طریق انجام آزمایشهاي بزرگ مقیاس برجا و یا انجام تستهاي آزمایشگاهی بر روي نمونههاي کوچک صورت گیرد. هر چند آزمایشهاي برجا نتایج دقیقتري را ارائه میدهد اما با توجه به هزینه بیشتر و زمانبر بودن آنها، انجام تستهاي آزمایشگاهی بیشتر مورد توجه قرار گرفته است.
دستگاه معمول براي تعیین پارامترهاي تماسی، دستگاه برش مستقیم تحت شرایط مرزي بار نرمال ثابت - CNL - 1 میباشد. این دستگاه در شرایطی که سطح تماسی حالت صفحهاي دارد، مناسب میباشد. در حالی که براي سطوح اندرکنش غیر صفحهاي نتایج صحیحی را ارائه نخواهد داد. زیرا تحت این شرایط در نتیجهي فرآیند برش و حرکت ناهمواريها بر روي همدیگر پدیدهي اتساع رخ خواهد داد.
در این شرایط اگر سطح اندرکنش، توسط تودهسنگهاي اطراف محدود شده باشد، آنگاه از اتساع آزادانهي آن جلوگیري خواهد شد. این امر سبب افزایش قابل توجه تنش نرمال موثر بر سطح برش خواهد شد. میزان این افزایش وابسته به سختی سنگهاي محصور کننده ومیزان اتساع سطح اندرکنش میباشد. افزایش بار نرمال موثر بر سطح تماسی سبب تغییر پارامترهاي مقاومتی آن میشود.
بنابراین نتایج آزمایش با دستگاه برش مستقیم تحت شرایط CNL، در وضعیتی که تنش نرمال در شرایط صحرایی طی فرایند برش تغییر میکند، غیر وافعی خواهد بود. در نتیجه نیاز به طراحی و ساخت دستگاهی که قادر به شبیهسازي تغییرات تنش نرمال طی فرایند برش باشد، وجود دارد. در این مقاله با نگاهی به دستگاه طراحی شده در آزمایشگاه مکانیک سنگ دانشگاه تهران، به بررسی رفتار مکانیکی سطوح تماسی تحت شرایط سختی نرمال ثابت پرداخته شده است.
2. تکنیکهاي مختلف انجام آزمایش برش مستقیم در آزمایشگاه
تکنیکهاي آزمایشگاهی برش مستقیم سطوح تماسی با توجه به شرایط طبیعی مختلف حاکم بر محیط، به سه شکل قابل انجام میباشند. این روشها شامل آزمایش برش مستقیم تحت شرایط مرزي تنش نرمال ثابت، سختی نرمال ثابت و جابجایی نرمال ثابت میباشد. عمدهي تحقیقات صورت گرفته در گذشته در زمینهي رفتار مکانیکی سطوح اندرکنش تحت شرایط مرزي تنش نرمال ثابت میباشد.
از میان این تحقیقات میتوان به پاتن - 1966 - ، بارتن 1973 - و 1976و - 1986، هوك 1977 - و 1983و - 1990، باندیس - 1981 - ، هنچر و ریچارد - 1989 - ، سائب و آمادي - 1992 - و کولاتیلاکه - 1995 - اشاره کرد. آزمایش برش تحت بار نرمال ثابت براي سطوح تماسی هموار مناسب میباشد. زیرا وقتی سطح ناپیوستگی هموار باشد، طی فرآیند برش اتساع نخواهد کرد. در شرایطی که سطح تماسی ناهموار باشد، حین برش اتساع خواهد نمود. حال اگر شرایط حاکم بر آن طوري باشد که نتواند به شکل آزادانهاي اتساع نماید؛ آنگاه شبیه سازي این فرایند با آزمایش برش مستقیم تحت شرایط CNL نتایج غیر واقعی را ارائه خواهد داد.
در این شرایط آزمایش برش مستقیم تحت شرایط سختی نرمال ثابت رفتار مکانیکی سطح تماسی را به صورت واقعیتري شبیهسازي خواهد نمود. قابل ذکر است آزمایش برش مستقیم تحت شرایط تنش نرمال ثابت و نیز جابجایی نرمال ثابت، حالتهاي خاصی از آزمایش تحت سختی نرمال ثابت میباشد. یعنی بترتیب زمانی که K=0 و K ∞ برقرار باشد - یو . - 2001 در ادامه به بررسی کارایی این روش پرداخته شده است.
3. تکنیک آزمایش برش مستقیم تحت شرایط سختی نرمال ثابت - CNS2 -
3,1. مروري بر تحقیقات صورت گرفته
در حال حاضر مطالعات چاپ شده در مورد آزمایشهاي برشی تحت شرایط سختی نرمال ثابت در مقایسه با شرایط تنش نرمال ثابت نسبتا محدودتر میباشد. در هر صورت در سالهاي اخیر رفتار برشی درزه هاي بتن و نیز سنگ طبیعی تحت شرایط سختی نرمال ثابت مورد بررسی قرار گرفته است.
اولین کار در این زمینه را میتوان به بیرلی و براس - 1968 - نسبت داد که اثرات سختی توده بر روي برش گسل را بررسی کردند. اخیرا لیچینیتز - 1985 - ، ایندرانتا و همکاران 1998 - و - 2000، بنموکران و بالیوي - 1989 - ، وان سینت جان - 1990 - ، اونیش و دهارماراتن - 1990 - ، بنجلون و همکاران - 1990 - ، هاپرفیلد و جانستون - 1994 - ، اونیشی و هارمارات - 1990 - ، آرشامبولت و همکاران - 1990 - و اسکیناس و همکاران - 1990 - ، نتایج آزمایشگاهی خود را براي رفتار برشی تحت سختی نرمال ثابت ارائه کردهاند.
اسکیناس و همکاران - 1990 - به این نتیجه رسیدند که تحت تنش نرمال ثابت K=0، سطح تماسی بصورت نسبتا شکننده رفتار کرده است. در حالی که تحت شرایط CNS و با افزایش مقدار K، رفتار برشی بتدریج به پاسخ پلاستیک انتقال یافته است. افزایش در سختی نرمال منجر به افزایش تنش نرمال و کاهش اتساع شده است.
توماس و جانستون - 1987 - و کودیکارا و جانستون - 1994 - آزمایشهاي برشی تحت شرایط CNS را به منظور بررسی رفتار بدنهي شمعهاي ساخته شده در سنگ انجام دادهاند. براي شبیهسازي ناپیوستگیهاي بتن- سنگ از یک نوع سنگ مصنوعی استفاده شده است.
آزمایشها براي هر دو حالت سطح ناهموار منظم و نامنظم صورت گرفته است. زاویه ي اصطکاك بین سنگ و بتن 24-26 درجه اندازهگیري شد است. گزارش شده است که همهي ناهمواريهاي منظم در جابجایی برشی یکسانی شکسته شدهاند. در حالی که براي در حالت نامنظم، ناهمواريها در مقادیر متفاوتی از جابجایی برشی شکسته شدهاند.ناهمواريهاي منظم رفتار نسبتا شکنندهاي با مقاومت برشی بالا در جابجایی برشی یکسان نشان دادهاند.
ناهمواريهاي نامنظم بیشتر حالت تغییرشکلپذیر داشته و عموما با مقاومت پیک پایینتر همراه بوده اند. جیانگ و همکاران - 2004 - با ساخت دستگاه خود کنترل برش مستقیم تحت شرایط سختی نرمال ثابت به مطالعهي رفتار مکانیکی ناپیوستگیهاي سنگی پرداختهاند. نتایج حاصله اشاره دارد که رفتار سخت شوندگی کرنش تحت شرایط CNS رخ خواهد داد. همچنین مشخص شده است که اتساع به شکل قابل ملاحظهاي با به کارگیري شرایط سختی عمودي ثابت، کوچکتر از آزمایش CNL میشود.
.2,3 نمونههایی از ایجاد شرایط CNS در صحرا
در شکل - 1 - بعنوان مثالی از سطوح تماسی سنگ-سنگ در شرایط مرزي CNS براي یک سازهي زیرزمینی نشان داده شده است. سختی نرمال توده سنگ اطراف ناپیوستگی Kn ، با بسط تئوري استوانهي بینهایت به شکل زیر بدست میآید:
که v ,E بترتیب مدول و ضریب پواسون توده سنگ میباشد. r نیز شعاع تاثیر میباشد
شکل .1 رفتار دزره نزدیک فضاي زیرزمینی در عمق. الف- گشودگی زیرزمینی در سنگ درزهدار. ب- ارزیابی سختی نرمال موثر بر سطح درزه، ج. مدل دو بعدي معادل مقدار Kn با ویژگیهاي تغییرشکلپذیري توده سنگهاي اطراف تغییر میکند. از آنجا که v , E براي محدودهي تنش مورد بررسی ثابتاند، در نتیجه سختی نرمال ثابت خواهد بود - جیانگ و همکاران . - 2004 این شرایط مرزي برجا را میتوان در آزمایشگاه با دستگاه برش مستقیم تحت شرایط سختی نرمال ثابت شبیهسازي کرد
بعنوان مثالی از سطوح تماسی بتن-سنگ در شرایط مرزي CNS میتوان به شمع هاي ساخته شده در سنگ اشاره کرد. شکل - 2 - یک شمع ساخته شده در سنگ را نشان میدهد. بطوري که سطح اندرکنش بدنهي آن با توده سنگ محصور کننده ناهموار میباشد. وقتی این شمع به شکل عمودي تحت بارگذاري قرار گیرد، مقاومت برشی کنارههاي آن به شکل تابعی از تنش نرمال موثر بر سطح اندرکنش تغییر میکند.
تنش نرمال موثر نیز به نوبه ي خود به شکل تابعی از میزان اتساع وابسته به زبري سطح اندرکنش تغییر میکند. مکانیزم تغییر شکل در شکل - 2 - نشان داده شده است . بعنوان مثالی دیگر از سطوح تماسی بتن-سنگ در شرایط مرزي CNS میتوان به راكبولتهاي تزریقی در سنگ اشاره کرد. در این حالت نیز وقتی راكبولت تحت تنش قرار میگیرد، حالت برش تحت شرایط CNS ایجاد میشود
