بخشی از مقاله
خلاصه
شالوده عمده سازههای موجود، خاکریز روسازی راهها، شیروانیهای خاکی و قسمت قابل توجهی از بدنه سدهای خاکی در حالت غیراشباع و یا تحت تاثیر مکش قرار دارند. ضرورت بررسی مکانیک خاکهای غیراشباع، هنگامی روشن میشود که با توده ریزدانهای از خاکهای مسالهدار، مانند خاکهای آماسی - متورم شونده - و یا خاکهای رمبنده - فروریزشی - ، سر و کار داشتهباشیم.
در این مقاله، ابتدا به مفهوم مکش و چگونگی تاثیر آن بر رفتار مکانیکی خاکهای غیراشباع پرداخته می شود. نقش مکش به عنوان پارامتر سخت شوندگی خاک مورد بررسی قرار میگیرد و به تاثیر مکش بر ساختار خاک غیراشباع اشاره میگردد. در ادامه چند مدل مختلف که با هدف توضیح رفتار هیدرومکانیکی خاکهای غیراشباع ارائه شدهاند؛ مورد بحث قرار گرفته و نقاط ضعف و قوت هریک بررسی میشود. در نهایت و با توجه به توضیحات ارائه شده، مدل کشسان- خمیری مناسبتر برای توصیف رفتار مکانیکی خاکهای غیراشباع پیشنهاد میگردد.
1. مقدمه
اصل تنش موثر برای اولین بار توسط کارل ترزاقی بدین صورت ارائه شد که: اولا تمام رفتارهای مکانیکی خاکهای اشباع منحصرا تحت تاثیر تنش موثر است و ثانیا با صرف نظر کردن از نسبت نرمی دانههای خاک به نرمی توده خاک، مقدار تنش موثر را میتوان از رابطه 1 بدست آورد: 1 در این رابطه تنش کل، uw فشار آب منفذی اضافی و ' تنش موثر است. پس از آنکه آزمایشات و تحقیقات زیاد، اعتبار این اصل را در مورد خاکهای اشباع نشان داد؛ محققین بر آن شدند تا این اصل را به خاکهای غیراشباع که شامل سه فاز دانههای جامد، آب و هوا میشود؛ نیز تعمیم دهند.
جنینگز و برلاند - 1962 - با انجام یک سری آزمایش در شرایط ادئومتریک، بر روی خاکهای کممتراکم غیراشباع، نشان دادند که در اثر ترسازی خاک در دستگاه تحکیم، نمونهها دچار فروریزش - رمبندگی - میشوند. ایشان نتیجه گرفتند که با توجه به اینکه هنگام ترسازی نمونهها، تنش موثر کاهش می-یابد، این کاهش حجمِ قابل ملاحظه، توسط اصل تنش موثر قابل توضیح نیست.
قابل ذکر است که اصل تنش موثر تنها مدعی است که متغیر حالت تنش مورد نیاز برای توضیح رفتار مکانیکی خاکهای غیراشباع، تنش موثر میباشد و به منظور پیشبینی رفتار خمیری این نوع خاکها در حالتهای مختلف، لازم است که مشابه خاکهای اشباع، مدل کشسان- خمیری صحیحی بر پایه این اصل بنا شود. کمااینکه در مدل مشهور " کم-کلی" - Cam clay - ارائه شده برای خاکهای اشباع نیز، در حالت بارگذاری زهکشی نشده، هنگامیکه تنش موثر میانگین کاهش مییابد؛ حجم ثابت باقی میماند و این، لزوما مخالف اصل تنش موثر نیست.
به عبارت دیگر، تنش موثر بیشاپ از این جهت در توضیح دادن پدیده فروریزش ناتوان بود که در یک چهارچوب کشسان مورد توجه قرار میگرفت. این در حالی است که برای مدلسازی رفتار پلاستیک خاک به یک مدل کشسان خمیری که در آن متغیرهای حالت تنش، رفتار خاک را در حالت های مختلف توضیح دهند نیاز است. ماتیاس و رادهاکریشنا - 1968 - در ادامه فعالیتهای جنینگز و برلاند، پیشنهاد کردند که برای مدلسازی رفتار مکانیکی خاکهای غیراشباع، از دو متغیر حالت تنش مستقل استفاده شود 4 و فردلاند و مورگنسترن - 1977 - این دو متغیر را بصورت σ-ua و ua-uw انتخاب کردند .
همچنین این محققین نشان دادند که در طی آزمایشهایی که در آنها با وجود تغییر در پارامترهای ، uw و ua مقدار σ-ua و ua-uw بدون تغییر باقی میماند؛ تغییر حجم خاک برابر صفر است. لذا این دو متغیر میتوانند به عنوان متغیر حالت تنش استفاده شوند. لازم به ذکر است که این آزمایشها میتوانند مؤید اصل تنش موثر نیز باشند.
از جمله اشکالات دیگری که برخی از محققین به اصل تنش موثر وارد میدانند؛ وابستگی پارامتر تنش موثر به خواص خاک است . 5 این محققین معتقدند که متغیر حالت تنش نباید وابسته به خواص ماده باشد. هرچند این مطلب، در مورد مواد همگن تکفازی صحیح است؛ اما در مورد مواد چند فازی مثل خاکهای اشباع و غیراشباع، توزیع تنش لزوما وابسته به خواص ماده است 6 و همانطور که در بخشهای آتی به آن اشاره خواهد شد؛ درصورتیکه خواص خاک را از متغیرهای حالت تنش حذف کنیم، در مدلسازی رفتارهای مختلف آن، دچار مشکلات عدیدهای میشویم.همچنین اخیراً، نوث ولالوئی - 2009 - دلایل زیر را در توجیه نادرستی استفاده از مکش ساختاری به عنوان پارامتر سخت شوندگی بیان کرده اند 7 که در قسمتهای آتی مقاله به تفصیل به آنها پرداخته میشود:
.1 سخت شوندگی به حالتی اطلاق می گردد که سطح گسیختگی از نظر ابعاد، محل ویا شکل در طی بارگذاری تغییر نماید و چنین پدیده ای تنها می تواند در اثر یک فرایند بازگشت ناپذیر که با انجام کار پلاستیک همراه باشد رخ دهد. ایشان با توجه به بازگشت پذیری درجه ی اشباع در یک چرخه ی کامل منحنی نگهداشت آب خاک مدعی شدند که کار انجام شده در حین یک چرخه ی ترسازی و خشک اندازی خاک پلاستیک نیست و لذا امکان رویداد سخت شوندگی وجود ندارد.
.2 بابیان آنکه تغییر شکل سطح تسلیم در اثر تغییرات مکش مشابه با تغییرات این سطح با تنش انحرافی است، آنان توصیه نموده اند مکش ساختاری به عنوان یک متغیر تنش - نه پارامتر سخت شوندگی - استفاده گردد.
.3 با توجه به اینکه خطوط عادی تحکیم یافتگی در حین ترسازی به مکان اولیه ی خود باز می گردند - خط عادی تحکیم یافتگی اشباع - پدیده ای که در هنگام خشک اندازی اتفاق می افتد، سخت شوندگی نیست. در این مقاله، ابتدا به مفهوم مکش و چگونگی دخالت آن در رفتار مکانیکی خاکهای غیراشباع پرداخته میشود. در ادامه، سه مدل مختلف که با هدف توضیح رفتار هیدرومکانیکی خاکهای غیراشباع ارائه شدهاند؛ مورد بحث قرار میگیرند و با بیان نقش مکش دراین مدلها، نقاط ضعف و قوت هریک بررسی میشود. در نهایت و با توجه به توضیحات ارائه شده، مدل کشسان- خمیری مناسبتر برای توصیف رفتار هیدرومکانیکی خاکهای غیراشباع پیشنهاد میگردد.
2. مکش و رفتار مکانیکی خاکهای غیراشباع
از جمله مفاهیم اساسی مورد بحث در مکانیک خاکهای غیراشباع، مفهوم مکش است. بصورت بسیار ساده میتوان گفت که مقدار مکش برابر با انرژی لازم برای خارج کردن آب از توده خاک غیراشباع و یا وارد کردن آن به داخل خاک است. مقدار عددی مکش در خاکهای کم خمیری را میتوان با استفاده از مولفه مویینگی ua-uw نوشت؛ هرچند در خاکهای بسیار خمیری، پتانسیل ترشدگی سطح پولکی دانههای رسی نیز به این عامل اضافه می-گردد.
بنابراین مکش یک فشار ریزساختار است و نمیتواند آنگونه که توسط برخی از محققین [8] به عنوان یک اصل، پذیرفتهشدهاست؛ بصورت یک بردار تنش، بر روی سطح المان درشتمقیاسِ خاک غیراشباع وارد شود .[9] به منظور تغییر مقیاس مکش، باید ابتدا در پارامتری که نماینده ساختار خاک، خواص فیزیکی آن و حالت تنش - شامل مقدار مکش و تنش خالص - است؛ ضرب شود [10] و سپس به عنوان تنش اعمالی به سطح توده خاک غیراشباع و در کنار تنش خالص، -ua ، متغیر حالت تنش را تشکیل دهد.
بعلاوه، بر خلاف آنچه در وهلهی نخست متصور میگرددتنها؛ عاملِ تغییر فشار پیش تحکیمی، تاریخچهی بارگذاری نیست وساختار خاک نیز می تواند سبب تغییر فشار پیش تحکیمی و نیز تغییر محل و شکل سطوح تسلیم گردد - شکل . 11 - - 1 - بنابراین تغییر مکش نه تنها به عنوان قسمتی از تاریخچهی بارگذاری در تغییر رفتار مکانیکی خاک غیر اشباع نقش دارد، بلکه با ایجاد تغییر در اسکلت خاک پدیدههای سختشوندگی و نرمشوندگی را نیز به دنبال میآورد:
با افزایش مکش و عبور از مکش ورود هوا، تشکیل ساختار در اسکلت خاک مشاهده میگردد 12 و . 13 این بدان معناست که نحوه قرارگیری دانههای خاک از حالت پراکنده به حالتی متجمعتر تغییر میکند که به صورت سختشوندگی خاک در رفتار مکانیکی خاک غیراشباع انعکاس مییابد. با کاهش مکش در اثر ترسازی، از بین رفتن ساختار روی داده و در نتیجهی آن نرم شوندگی در رفتار خاک غیراشباع ملاحظه میگردد.
از سوی دیگر بررسی رفتار مکانیکی خاکهایی که تنش اعمالی به آنها صرفا با استفاده از افزایش مکش زیاد میشود؛ ما را به نتایج کاملتری رهنمون می-گردد:[14] افزایش مکش، در ابتدا باعث افزایش تنش موثر و در نتیجه رفتاری مشابه خاکهای اشباع در حین بارگذاری مکانیکی میشود. دو پدیده مهم در این میان، جاری شدن - تسلیم - و افزایش مقاومت برشی خاک است.
این دو پدیده را مشابه خاکهای اشباع میتوان تنها با استفاده از تنش موثر به خوبی مدلسازی نمود [15] و .[16] در این حالت، سختشوندگی و بزرگشدن منحنی تسلیم، تنها ناشی از کار پلاستیک انجام شده توسط تنش موثر بر روی توده خاک غیراشباع است. مقدار این کار پلاستیک در واحد حجم توده خاک را میتوان از تفاضل مساحت زیر منحنیهای بارگذاری - خط عادی تحکیمیافتگی - و باربرداریخطِ - کشسانِ تورم - بدست آورد.
اما با افزایش بیشتر مکش و عبور از مقدار مکش ورود هوا کار پلاستیک مکش، صرف خروج آب از توده خاک میشود. در حالیکه رفتار مکانیکی خاک در فضای تنش موثر-حجم مخصوص بصورت کاملا کشسان نمایان میشود [17]؛ این کار پلاستیک را در چرخههای تر و خشکسازی منحنی-های نگهداشت آب- خاک میتوان مشاهده نمود. مقدار این کار در واحد حجم آب درون خاک از کم کردن مساحت زیر شاخه ترسازی منحنی مشخصه آب-خاک از مساحت زیر شاخه خشکاندازی این منحنی بدست میآید.
بنابراین جابجایی خطوط عادی تحکیمیافتگی باافزایشِ مکش - سخت شوندگی و بزرگتر شدن منحنیهایتسلیمِ خاک غیراشباع - در این حالت، ناشی از کار پلاستیک انجام شده توسط مکش در واحد حجم آب درون خاک است. لذا، با وجود اینکه درصد رطوبت خاک از متغیرهای اصلی مدلسازی رفتار مکانیکی آن محسوب نمیشود؛ استفاده از مکش به عنوان متغیر دوم حالت اجتناب ناپذیر است. در حقیقت درجهی اشباع، در طی فرایند خشک-اندازی در مقایسه با فرایند سختشوندگی متداول در ادبیات مکانیک خاک، نقش کرنش حجمی پلاستیک را بر عهده دارد.
