بخشی از مقاله
خلاصه
پرسیومتري یکی از مهمترین آزمایشهاي صحرایی در حوزه ژئوتکنیک است که براي شناسایی ویژگیهاي مکانیکی خاك کاربرد دارد. مزیت اصلی این دستگاه، اندازهگیري پیوسته منحنی تنش-کرنش خاك است که این منحنی، جهت تعیین پارامترهاي خاك بر مبناي تحلیلهاي تئوري - تئوري انبساط حفره - قابل تفسیر است. یکی از پارامترهاي اصلی قابل ارزیابی از این آزمایش، تنش افقی برجاي خاك است. در این پژوهش، ابتدا مروري بر روش هاي مختلف تعیین تنش افقی برجاي خاك رسی بر اساس نتایج آزمایش پرسیومتر میشود.
با بهره گیري از مدلسازي عددي پرسیومتر در نرم افزار FLAC، تئوري انبساط حفره در خاكهاي رسی با نتایج عددي مقایسه شده و مورد ارزیابی قرار میگیرد. سپس دو روش جدید به منظور تعیین تنش افقی برجاي خاكهاي رسی ارائه میشود. نهایتاً دقت روشهاي پیشنهادي جهت تعیین تنش افقی برجا در خاكهاي رسی از طریق مقایسه با نتایج آزمایشگاهی و صحرایی پرسیومتر مورد ارزیابی قرار میگیرد.
.1 مقدمه
در هنگام بررسی خصوصیات خاك در آزمایشگاه، یکی از مهمترین مسائل، قرار داشتن خاك درشرایط کاملاً طبیعی است. بنابراین همواره این گرایش وجود دارد که به گونهاي بتوان با استفاده از آزمایشهاي در محل - آزمایشهاي صحرایی - ، پارامترها و خصوصیات اصلی خاك را به دست آورد. یکی از آزمایشهاي صحرایی پرکاربرد، آزمایش پرسیومتراست. آزمایش پرسیومتري ابتدا توسط منارد در سال 1954 ابداع شد. در این آزمایش، یک بالن استوانهاي تحت فشار سیال درون گمانه انبساط مییابد و تغییرات حجم و فشار به طور پیوسته اندازهگیري می شود. یکی از مزیتهاي این آزمایش، وجود روابط تحلیلی متعدد براي تفسیر نتایج آن است - 1852 - Lame .[1] اولین راه حل بسته براي مسئله انبساط حفره در محیط الاستیک خطی و با فرض تغییر شکلهاي کوچک ارائه داد.[2]
با استفاده از این راه حل، فقط میتوان مدول برشی الاستیک را با استفاده از تفسیر شیب اولیه نمودار تنش-کرنش و یا سیکل بارگذاري-باربرداري به دست آورد.آزمایش پرسیومتري را میتوان در حالت ایده آل به صورت انبساط یک حفره استوانه اي در محیط الاستوپلاستیک مدل نمود. بر این اساس، Gibson و - 1961 - Anderson روشی را جهت تعیین زاویه اصطکاك داخلی خاك در حالت کرنش مسطح توسط پرسیومتر ارائه نمودند .[3] فرض اساسی این مدل این است که برش در حجم ثابت رخ میدهد. - 1972 - Vesic روشی را ارائه کرد تا اثر تغییر حجم خاك را در تحلیل در نظر بگیرد - 1977 - Hughes .[4] روش دیگ ري را پیشنهاد داد که به وسیله آن میتوان از آزمایش پرسیومتر، زاویه اصطکاك داخلی و زاویه اتساع خاك ماسهاي را تعیین کرد.
[5] سپس Carter و همکاران - 1988 - یک راه حل بسته براي خاكهاي چسبندهي اصطکاکی ارائه کردند .[6] با توجه به همهگیر بودن آزمایش و نیز امکان تفاسیر نتایج آن با استفاده از تئوريهاي انبساط حفره، روشهاي مختلفی براي به دست آوردن پارامترهاي مختلف خاك از این آزمایش، ارائه شدهاند. یکی از مهمترین این پارامترها، تنش افقی خاك است. دانستن مقادیر تنشهاي در محل براي تعیین پایداري و تحلیل تنش-تغییرشکل یک سیستم ژئوتکنیکی بسیار لازم است.
مقدار تنش قائم را میتوان با دانستن وزن مخصوص خاك و عمق مورد نظر با دقتنسبتاً خوبی محاسبه نمود. اما دستبه آوردن تنش افقی به این آسانی نبوده و احتمالاً نیاز به دانستن خصوصیات دیگر خاك مانند تاریخچه تنش و کرنش و دانسیته نسبی دارد. با توجه به اهمیت اطلاع از تنش افقی خاك در علم مکانیک خاك، تلاشهاي وسیعی جهت تعیین این پارامتر با روشهاي گوناگون از جمله آزمایشهاي صحرایی صورت پذیرفته است. در این راستا از آزمایشهاي مختلفی مانند دایلاتومتر، پرسیومتر، آزمایش تیغه و آزمایش نفوذ مخروط استفاده شدهاست.
در این پژوهش، ابتدا مروري بر روشهاي مختلف تعیین تنش افقی برجاي خاك رسی بر اساس نتایج آزمایش پرسیومتر در خاكهاي رسی میشود و روشی سادهو جدید جهت تعیین تنش افقی بر اساس روشهاي قبلی، ارائه میگردد. سپس با استفاده از مدلسازي عددي تفاضل محدود آزمایش پرسیومتر در نرم افزار FLAC، تئوريهاي انبساط حفره در خاك رسی ارزیابی شده و بر اساس این تئوريها، روشی جدید جهت تعیین تنش افقی برجاي خاكهاي رسی ارائه میشود.
.2 روشهاي تعیین تنش افقی برجاي خاك رسی
تخمین تغییر شکل خاك با استفاده از روشهاي عددي همچون اجزاي محدود و تفاضل محدود نیازمند فرضیاتی منطقی در مورد تنشهاي برجاي خاك است. تعیین تنش افقی برجا بر خلاف تنش قائم به سادگی امکان پذیر نیست. پرسیومتر از معدود دستگاههایی است که امکان تعیین تنش افقی برجا را فراهم میکند .[7] در ادامه، روشهاي تخمین تنش افقی برجا از طریق آزمایش پرسیومتر ذکر میشود.
.1 .2 روش نقطه عطف1
این روش، قدیمیترین روشی است که براي تخمین تنش افقی برجا مورد استفاده قرار میگرفت. این روش در همان زمانهاي اولیه ابداع آزمایش پرسیومتر توسط منارد مطرح شد. مبناي روش این است که تنش افقی برجا، تنش متناظر با شروع ناحیه خطی نمودار تنش بر حسب تغییر حجم گمانه است - شکل . - 1 این روش در پرسیومترهاي پیش-حفار به کار میرود و توجیه تئوري ندارد.
.2 .2 روش Lift-off
اینروش صرفاً در پرسیومتر خود-حفار قابل کاربرد است. به صورت ایده آل، پرسیومتر خود-حفار بدون ایجاد دست خوردگی در خاك اطراف نصب میشود سپس فشار حفره از مقدار صفر افزایش مییابد تا زمانی که به تنش افقی برجاي خاك به σh0 برسد. هرگاه تنش افقی از σh0 بیشتر شود، حفره میتواند منبسط شود و تغییر شکل شعاعی غشاء اندازهگیري شود. در لحظهي شروع تغییر شکل حفره، Lift-off رخ میدهد. جزئیات این روش در شکل - 2 - آمده است .[7] در خصوص تنش افقی برجا در خاكهاي ماسهاي دادههاي کمی وجود دارد. بنابراین ارزیابی روشهاي ارائه شده از جمله روش Lift-off در این گونه خاكها به سادگی میسر نیست.
.3 .2 روش آزمون و خطاي ترسیمی2
آزمایش پرسیومتر خود-حفار به صورت ایده آل به صورت شکل - 2 - است. پرسیومتر پیش-فارح معمولاً نتایجی مشابه شکل - 1 - به دست میدهد. در ناحیه AB از نمودار شکل - 1 - ، پرسیومتر منبسط میشود تا وقتیکه کاملاً با جداره تماس پیدا کند. پس از آن، خاك دست خوردهي اطراف حفره تحت فشار قرار میگیرد و وارد بخش BCD منحنی میشود. Marshal و - 1977 - Randolph یک روش مبتنی بر آزمون و خطا را براي تخمین σh0 ارائه دادند که براي پرسیومتر پیش-حفار در خاكهاي سخت رسی کاربرد داشت اما از نظر اصول در سایر انواع پرسیومتر نیز قابل کاربرد است.[8] تنش متناظر با شروع تسلیم خاكهاي رسی از رابطهي - 1 - قابل محاسبه است.
