بخشی از مقاله
چکیده
هدف اصلی این پژوهش، شبیهسازی اجزاء محدود آزمون فشار تکمحوری محصور، نیمه محصور و نشست صفحه جهت بررسی منحنیهای تنش- جابجایی و موقعیت نقطه بیشینه انحنا نسبت به تنش تسلیم شبیهسازی شده است. در این مطالعه، سه آزمون مذکور در نرم افزار آباکوس شبیهسازی شد. دو روش نقطه بیشینه انحنا و کاساگراند جهت تخمین تنش پیشتراکم از منحنیهای شبیهسازی شده در تنشهای تسلیم 20، 50، 75، 100، 125، 150، 200 و 300 کیلوپاسکال استفاده گردید.
نتایج نشان داد تنش در نقطه بیشینه انحنا در آزمون محصور منطبق بر تنش تسلیم شبیهسازی شده ولی در دو آزمون نیمه محصور و نشست صفحهای کمتر از آن میباشد . با استفاده از روش کاساگراند، تنش پیشتراکم در هر سه آزمون از تنش تسلیم شبیهسازی شده بالاتر بود. نتایج آزمونهای تجربی تراکم محصور نشان داد که نقطه بیشینه انحنا تخمین دقیقتری از تنش پیشتراکم به دست میدهد که با نتایج شبیهسازی نیز انطباق داشت.
مقدمه
نقطه تغییر رفتار مکانیکی خاک از حالت برگشتپذیر به ماندگار، تنش پیشتراکم - pc - نامیده میشود -
. - 2006 به طور کلی تا زمانی که تنشهای وارده بر خاک از تنش پیشتراکم تجاوز نکند، تغییر شکل در خاک برگشتپذیر و ناچیز است. اما زمانی که تنش اعمال شده از این حد عبور کند، تغییر شکل ماندگار خواهد شد . - Davidowski, 2001 - این شاخص بر خواص فیزیکی و مکانیکی که بطور سنتی در ارزیابی سیستمهای تردد و خاکورزی استفاده میشود برتری دارد، زیرا در برنامهریزی برای عملیات مزرعه بطور مستقیم قابل استفاده است . بنابراین هدف اصلی از تعیین تنش پیشتراکم، تعیین ظرفیت باربری خاک یا تنش در آستانه تراکم است، تا با محدود نمودن بارگذاری - در اثر تردد - به مقادیر کمتر از تنش پیشتراکم، خطر تراکم - یا تغییر شکل ماندگار - به حداقل برسد.
تنش پیشتراکم برای سالیان زیادی در تحقیقات خاکورزی، مدیریت تردد در مزرعه و حفظ پایداری ساختمان خاک در برابر نیروهای داخلی و خارجی مورد استفاده قرار گرفته است. ارزیابی تنش پیشتراکم به مدیریت مناسب و پایدار خاک کمک میکند . - Koolen, 1994; Lebert and Horn, 1991 - واتز و همکاران - Watts et al., 1999 - گزارش کردند که تنش پیشتراکم به عنوان شاخصی بحرانی برای تنفس خاک نیز قابل استفاده است. به طوری که اعمال تنشهای بیشتر از تنش پیشتراکم سبب کاهش تنفس خاک - به دلیل از بین رفتن خلل و فرج پیوسته - میشود.
روشهای مختلفی تاکنون برای تعیین حد استحکام خاک - تنش پیشتراکم - مورد استفاده قرار گرفته است که عبارتند از - 1 روش ادومتر یا تحکیمسنج که بارگذاری در آن به صورت گام به گام و با فواصل زمانی طولانی صورت میگیرد به طوری که تغییرات حجم نمونه مورد آزمایش با زمان اندک باشد، - 2 آزمایش فشردگی محصور - Confined compression test - که توسط مهندسین کشاورزی و خاک شناسی به عنوان روش سریع و آسان برای تعیین تنش پیشتراکم و تراکمپذیری خاکها استفاده میگردد و - 3 آزمایش نشست صفحه - Plate sinkage test - که به عنوان یک روش در محل - In situ - برای تعیین ظرفیت باربری خاک استفاده میشود.
روشهای دیگری نیز مانند فشار تک محوری نیمه محصور - Semi-confined compression - توسط محققین بررسی شده است . - Mosaddegji et al., 2007 - اگر چه تا کنون تنش پیش تراکم به عنوان یک آستانه برای شروع افزایش تراکم در خاک مورد استفاده بوده، با این حال برخی تحقیقات اخیر حاکی از آن است که حتی با اعمال تنش تا حدی کمتر از تنش پیشتراکم، تغییر شکلهای ماندگار معنیداری در خاک به جا مانده که بیانگر این حقیقت است که استفاده از تنش پیشتراکم بعنوان یک حد تسلیم برای خاک چندان هم قابل اطمینان نیست
یکی از راهکارهای موثر در بررسی مسائل پیچیدهای مانند آنچه در بالا بحث شد شبیهسازی اجزا محدود مسئله میباشد بنحوی که بتوان عوامل مختلف موثر بر رفتار تنش- کرنش در آزمونهای تکمحوری محصور، نیمه محصور و نشست صفحه در خاک را بررسی نمود. بدین وسیله میتوان تخمین دقیقتری از تنش پیشتراکم در صورت استفاده از آزمونهای مختلف به دست آورد . لذا هدف اصلی در این پژوهش، شبیهسازی اجزا محدود آزمون تکمحوری محصور، نیمه محصور و نشست صفحه در خاک و تعریف آن به صورت مادهای با رفتار الاستیک- پلاستیک جهت بررسی منحنیهای تنش- جابجایی و موقعیت نقطه بیشینه انحنا نسبت به تنش تسلیم شبیهسازی شده است.
مواد و روشها شبیه سازی اجزا محدود
در این مطالعه، آزمون فشار تکمحوری محصور، نیمه محصور و نشست صفحه در خاک به صورت متقارن حول محور Axi- - - symmetric با استفاده از نرم افزار آباکوس - ABAQUS - شبیهسازی شد. خاک با رفتار الاستیک - پلاستیک با معیار تسلیم دراکر- پراگر و معیار برش خطی و قانون جریان همراه تعریف شد - صدرنژاد، . - 1379 پارامترهای مورد نیاز برای این مدلها نسبت پواسون، مدول کشسانی، تنش تسلیم و زاویه اصطکاک داخلی دراکر- پراگر با توجه به شرایط مسأله و پژوهشهای قبلی انتخاب شد . - Naderi-Boldaji et al., 2014 - با اجرای شبیهسازی، از دادههای تنش- جابجایی جهت تخمین تنش نقطه بیشینه انحنا و تنش پیشتراکم استفاده شد.
طرحواره آزمونهای محصور، نیمهمحصور و نشست صفحه در خاک در شکل 1 نشان داده شده است. با انتخاب تقارن محوری، نمونه خاک و پیستون در سیستم مختصات X-Y ایجاد شدند و محور Y به عنوان محور دوران در نظر گرفته شد. نوع نمونه خاک تغییر شکلپذیر انتخاب شد. در آزمون محصور، نمونه خاک با ارتفاع 60 و قطر 100 میلیمتر و در آزمون نیمهمحصور با ارتفاع 60 و قطر 150 میلیمتر رسم گردید
این ابعاد معمولا در نمونه برداریهای مزرعهای برای آزمون محصور استفاده شده است. پیستون به شکل صلب شبیهسازی شد. پیستون در هر دو آزمون با قطر 100 میلیمتر ترسیم شد. در آزمون نشست صفحه نمونه خاک با ارتفاع 150 و قطر 500 میلیمتر رسم گردید . به منظور انتخاب بهینه ارتفاع و قطر خاک در مسأله نشست صفحه جهت جلوگیری از تأثیر شرایط مرزی بر حل مسأله، تحلیلهای حساسیت نسبت به ارتفاع و قطر نمونه خاک انجام شد.
تعیین تنش پیشتراکم از منحنیهای شبیهسازی شده لگاریتم تنش- جابجایی
· نقطه بیشینه انحنا
نقطه بیشینه انحنا در منحنیهای شبیهسازی شده تنش - جابجایی با استفاده از روش تحلیلی داویدوسکی و کولن - Davidowski - and Koolen, 2004 و داویدوسکی و همکاران - Davidowski et al., 2001 - در نرم افزار اکسل تعیین شد. جهت تعیین نقطه بیشینه انحنا شیب خط مماس بر منحنی - - از زوج دادههای لگاریتم تنش- جابجایی - log σ, Zj - از رابطه 1 و اختلاف بین دو شیب خط مماس متوالی - - از رابطه 2 محاسبه شد:
حداکثر انحنا در منحنی لگاریتم تنش- جابجایی در تنشی - σ - اتفاق میافتد که حداکثر باشد. شکل -2 الف یک نمونه نمودار لگاریتم تنش k – را برای تنش تسلیم 200 کیلوپاسکال نشان میدهد که نقطه بیشینه انحنای آن نیز در 200 کیلوپاسکال واقع شده است.
· روش کاساگراند
روش ترسیمی کاساگراند با بهرهگیری از روش تحلیلی داویدوسکی و کولن - Davidowski and Koolen, 2004 - و داویدوسکی و همکاران - Davidowski et al., 2001 - در نرم افزار اکسل اجرا شد. نیمساز بین امتداد خط مماس بر منحنی نیمه لگاریتمی و امتداد افقی در نقطه بیشینه انحنا - و - σ از رابطه 3 حاصل شد.
شکل -1 مدل هندسی و ابعاد آزمونهای الف - محصور، ب - نیمه محصور و ج - نشست صفحه.
که در این رابطه، شیب مماس بر منحنی نیمه لگاریتمی در نقطه بیشینه انحنا است. جهت تعیین امتداد خط فشردگی بکر - VCL - ، با استفاده از دادههای بعد از نقطه بیشینه انحنا، خط VCL بر روی منحنی برازش شد - شکل-2ب - . تنش پیشتراکم به عنوان تنش متناظر با نقطه تقاطع معادله نیمساز بین خطوط مماس و افقی مار بر نقطه بیشینه انحنا و امتداد خط VCL به دست آمد.
