مقاله حساسیت سنجی پارامترهای مدل رفتاری بارسلونا در بیان رفتار تغییر حجمی خاک غیراشباع

بخشی از مقاله

خلاصه

با توجه به این که نواحی خشک و نیمه خشک حدود %33 از سطحکره زمین را فرا گرفته است، عموماً فرض اشباع بودن محیط خاك صحیح نبودهو بررسی رفتار خاك هاي غیراشباع از اهمیت بالایی برخوردار است.  بالا آمدن سطح آب زیرزمینی، سیل و طغیان آب از جمله پدیده هایی هستندکه باعث افزایش فشار آب حفره اي شده و مکش بافتی را کاهش می دهندعموماً. پدیده مرطوب شدنمنجر به فشردگی حجمی خاك - فروریزشدر خاك - شده و کاهش حجم غیرقابل برگشتی را در خاك رقم می زند. نتایج آزمایش تحکیم روي نمونه غیراشباع نشان می دهد که رابطه واحديبین تغییرات مکش بافتی و تغییر حجم کل خاك وجود دارد، بطوریکه کاهش حجم خاك با کاهش مکش بافتی به سمت صفر میل می کند. درادبیات مدل هاي رفتاري مختلفی جهت بیان رفتار تغییر حجمی خاك هاي غیراشباع ارائه شده است.

عموماً در تدوین این مدل ها، مفهوم حالتبحرانی در خاك هاي غیراشباع، از جمله مفاهیم اساسی است که بیشترین توجه به آن معطوف گشته است. در این مقاله مدل الاستوپلاستیک بارسلوناجهت بیان رفتار تغییر حجمی خاك غیراشباع مورد بررسی قرار گرفته است. این مدل در سال 1990 توسط آلونسو و همکاران بر اساس تئوريپلاستیسیته ارائه شده است که شکل سطح تسلیم آن یک بیضوي مانند مدل کم کلی اصلاح شده می باشد.  این بیضی براي هر سطح مکش بافتیمتفاوت است.این مدل در واقع همان مدل کم کلی اصلاح شده است که با زاویه لود ثابت و تابع پتانسیل پلاستیک غیر وابسته براي خاك هايغیراشباع ارائه شده است. بدین منظور نرم افزار مدل در شرایط سه محوري تدوین شده است. در قدم بعد، اثر تغییر در مقادیر پارامترهاي مدل بر تغییرحجم خاك حساسیت سنجی شده است و نهایتاً با توجه به تعدادي از نتایج آزمایش هاي موجود در ادبیات این مدل اعتبار بخشی گردیده است.

کلمات کلیدي: خاك غیراشباع، مدل هاي رفتاري، محیط متخلخل، رفتار تغییر حجمی

1. مقدمه

پاسخ حجمی خاك تنها وابسته به مقادیر اولیه و نهایی تنش موثر نبوده و به مکش بافتی نیز بستگی دارد. روابط متعددي براي بیان رفتار تغییر حجم - مثلکرنش حجمی و نسبت تخلخل - خاك هاي غیراشباع وابسته به متغییرهاي حالت تنش - تنش نرمال خالص و تنش مکشی - وجود دارد. این روابط نیازمندشناخت مشخصه هاي خاك می باشند که عموماً بصورت تجربی ارزیابی شده اند. تغییرات نسبت تخلخل و درجه اشباع تحت اثر متغییرهاي حالت تنشمعرف تغییرشکل ساختار خاك - اسکلت خاك - با تغییر رطوبت خاك می باشد. یانگ و همکاران در 2008، رابطه نمو نسبت تخلخل و درجه اشباع رابه شکل رابطه 1 ارائه دادند: [1]

در سال 1990، آلونسو اولین مدل رفتاري الاستوپلاستیک را براي خاك هاي غیراشباع با استفاده از تئوري پلاستیسیته ارائه نمودکه شکلآنیک بیضوي مانند مدل کم کلی اصلاح شده می باشد. این بیضی براي هر سطح مکش بافتی متفاوت است.[2] این مدل همان مدل کم کلی اصلاح شدهاست که با زاویه لود ثابت و تابع پتانسیل پلاستیک غیروابسته براي خاك هاي غیراشباع ارائه شده است. آلونسو رفتار تغییر حجمی نمونه خاك غیراشباعدر حالت بحرانی را با رابطه ذیل ارائه نمود :

در رابطه 2 ، پارامتر PC    ، فشار معادل حالتی است که حجم مخصوص نمونه خاك برابر - N S می باشد و -  S بیانگر سختی خاك وتابع مکش بافتی است. رابطه تغییر سفتی خاك با مکش بافتی بصورت ذیل ارائه شده است :                                                                

در رابطه 3، r پارامتر سفتی خاك و ثابت است.، پارامتر کنترل نرخ افزایش سختی درون خاك متناظر با مکش بافتی می باشد. با افزایش مکش بافتی درون خاك مقدارکرنش حجمی کل، کرنش حجمی پلاستیک و کرنش الاستیک ناشی از مکش از روابط ذیل محاسبه می شوند :        

در مدل بارسلونا تغییرات حجم مخصوص در محدوده الاستوپلاستیک از رابطه ذیل محاسبه می شود :                                 

٢. بررسی رفتار تغییر حجمی خاک های غیراشباع از دیدگاه عددی و تجربی

قابلیت تغییر حجم  پذیري خاك غیراشباع شامل تراکم پذیري هوا، آب، مخلوط آب-هوا و بخش هواي حل نشده است.   تغییر حجم در خاك اشباع تابعی از تنش نرمال خالص و به شکل رابطه - de  av d   uw   ارائه می شود، اما در خاك غیراشباع تابعی از تنش نرمال خالص و مکش بافتی بوده و به صورت رابطه - de  a1d   u a   a2d u a   uw ارائه می شود. کلمن در سال 1962  معادله کلی تغییر حجم خاك غیر اشباع رابه صورت ذیل ارائه داد: [3]
در رابطه 6، C 21 , C 22 , C 23 ضرایب تراکم پذیري خاك هستند. نمو کرنش حجمی کل خاك غیراشباع عبارت است از :    
و کرنش حجمی کل خاك غیر اشباع برابر v  d v می باشد. در رابطه 7 ، E مدول الاستیسیته ساختار خاك نسبت به تغییر در تنش نرمال خالص است و H ، مدول الاستیسیته ساختار خاك نسبت به تغییر درمکش بافتی است. این ضرایب در شرایط غیرخطی با نمو کرنش تغییر می کنند  تغییر حجم عبارتست از تغییرات نسبت تخلخل و وابسته به تنش موثر است.    محققین مختلف روابط متنوعی براي بیان تغییرات نسبت تخلخل خاك غیراشباع نسبت به متغیرهاي حالت تنش ارائه داده اند که در ذیل به اختصار ارائه شده است :                    
ترزاقی در سال 1943 رابطه ذیل را ارائه داد : [5]     
فردلاند و همکاران در سال 1978 رابطه ذیل را براي بیان وابستگی نسبت تخلخل به سطح تنش و مکش ارائه داد: [6]    
آلونسو و لورت در سال 1982 رابطه ذیل را ارائه دادند: [7]

فردلاند تغییرات نسبت تخلخل و درصد رطوبت خاك غیراشباع را تابعی از تنش نرمال خالص اولیه و مکش بافتی اولیه در سال 2000 بهصورت ذیل ارائه نمود: [8]
در شکل 1، سطوح بنیادي نسبت تخلخل و درصد رطوبت براي خاك اشباع و غیراشباع ترسیم شده است. شیب پوش در یک نقطه نسبت به محور تنش کل برابر  و شیب پوش نسبت به محور مکش بافتی برابر می باشد .[9]