تبلیغات
مهندسی عمران - مکانیک خاک (2)
مهندسی عمران

لینکدونی

آرشیو

← آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • بازدید امروز :
  • بازدید دیروز :
  • بازدید این ماه :
  • بازدید ماه قبل :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :

مکانیک خاک (2)

ادامه مطالب مکانیک خاک (1)

تراوش: حالت پایدار جریان آب

مقطع عرضی یک سفره آب زیرزمینی، سطح آب با سطح لایه‌های خاک تغییر می‌کند. همچنین یک آب انباشته‌شده نمایش داده شده‌است.

اگر فشار سیال موجود در خاک، به صورت یکنواخت طبق رابطهٔ u = \rho_w g z_w با افزایش عمق، افزایش یابد، نشان می‌دهد که شرایط ایستایی آب برقرار است و آب (سیال) درون خاک جریان ندارد. یادآوری می‌شود که z_w عمقی در زیر سطح آب است. اگر سطج آب شیب‌دار باشد یا در جایی درون خاک آبی انباشته شده باشد، همان گونه که در نگارهٔ مقابل نمایش داده شده‌است، در این هنگام ممکن است تراوش اتفاق افتد. در تراوش در حالت پایدار، نرخ تراوش، با گذر زمان تغییر نمی‌کند. اگر بلندی سطح آزاد آب با گذر زمان عوض شود، یا خاک در میانهٔ روند تحکیم باشد، دیگر شرایط حالت پایدار برقرار نخواهد بود.

قانون دارسی

نمودار نمایش‌دهندهٔ تعریف‌ها و جهت‌ها برای قانون دارسی.

قانون دارسی بیان می‌دارد که حجم جریان آب حفره‌ای از میان متوسط حفره‌های خاک در یکای زمان، متناسب است با نرخ تغییر فشاز آب (مایع) اضافی با فاصله. ضریب ثابت این تناسب، لزجت مایع و نفوذپذیری ذاتی خاک را نیز دربر می‌گیرد. در حالت ساده شدهٔ یک لولهٔ افقی پرشده از خاک، خواهیم داشت:

Q=\frac{-K A}{\mu}\frac{(u_b-u_a)}{L}

خروجی کل Q (حجم در یکای زمان برای نمونه: ft³/s یا m³/s) متناسب است با نفوذپذیری، K، مساحت مقطع عرضی، A و نرخ تغییر فشار آب حفره‌ای با فاصله، \frac{u_b-u_a}{L}، و نسبت عکس با لزجت دینامیک مایع، \mu. حضور علامت منفی به این دلیل است جریان مایع از فشار بیشتر به سمت فشار کمتر است؛ بنابراین اگر تغییر فشار کوچکتر از صفر یا منفی باشد (در جهت x)، جریان بزرگتر از صفر یا مثبت خواهد بود (در جهت x). معادلهٔ بالا برای یک لوله افقی به خوبی جواب می‌دهد اما اگر لوله، مایل باشد، نقطهٔ b بلندی متفاوت از بلندی نقطهٔ a خواهد داشت و معادله، دیگر درست کار نخواهد کرد. تاثیر اختلاف بلندی دو طرف لوله در جایی که اختلاف فشار آب حفره‌ای زیادی،u_e، محاسبه می‌شود، درنظر گرفته می‌شود که عبارت است از:

u_e = u - \rho_w g z

در رابطهٔ بالا z، عمق بدست آمده نسبت به یک بلندی دلخواه مبدا است. با جایگزینی u با u_e، رابطهٔ کلی‌تری را برای جریان، بدست خواهیم آورد:

Q=\frac{-K A}{\mu}\frac{(u_{e,b}-u_{e,a})}{L}

اگر دو طرف معادله را بر A تقسیم کنیم و عبارت تغییر فشار آب حفره‌ای اضافی را به صورت یک عبارت مشتق‌پذیر نسبت به فاصله (x) بنویسیم، سرعت ظاهری در جهت x خواهد بود:

v_x=\frac{-K }{\mu}\frac{d u_e}{d x}

که v_x یکای سرعت را دارد و سرعت دارسی یا سرعت خروجی نام دارد. سرعت تراوش v_{sx}= (سرعت متوسط مولکول‌های مایع از میان حفره‌های خاک) متناسب است با سرعت دارسی و پوکی خاک، n

v_{sx}=\frac{v_x}{n}

مهندسین عمران معمولا روی مسائلی کار می‌کنند که سیال در آن‌ها، آب است و مسئله روی زمین اتفاق می‌افتد (شتاب جاذبه زمین)، بنابراین آن‌ها شکل ساده شده قانون دارسی را استفاده می‌کنند که عبارت است از[۵][۷][۱۱]:

v = k i

که k نفوذپذیری نام دارد و به شکل k = \frac {K \rho_w g} {\mu_w} تعریف می‌شود. i شیب هیدرولیکی نام دارد و برابر است با نرخ تغییر ارتفاع کل به فاصله. ارتفاع کل، h در یک نقطه، برابر است با درازای طولی که آب از لولهٔ پیزومتری در آن نقطه، بالا می‌رود. این ارتفاع نسبت به یک بلندی مبدا دلخواه اندازه‌گیری می‌شود. ارتفاع کل مربوط می‌شود به اضافه فشار آب:

u_e = \rho_w g h +مقدار ثابت

مقدار ثابت برابر صفر خواهد بود اگر که سطح مبدا در همان نقطه‌ای در نظر گرفته شود که نقطهٔ ما در آن قرار دارد.[۱۳]

مقدار ضریب نفوذپذیری

بزرگی ضریب نفوذپذیری، :k، بسته به نوع خاک، ذر بازه‌های مختلفی تغییر می‌کند. برای نمونه در رس‌ها ضریب نفوذپذیری به کوچکی 10^{-12}\frac{m}{s} است؛ ولی در شن‌ها ضریب نفوذپذیری به 10^{-1}\frac{m}{s} افزایش می‌یابد. لایه‌لایه بودن خاک، ناهمگنی، به‌هم‌ریختگی خاک در میانهٔ عمل نمونه‌برداری از خاک و روند آزمایش بر روی آن، بدست‌آوردن مقدار دقیق ضریب نفوذپذیری را بسیار دشوار می‌کند.[۵]

شبکهٔ جریان

قانون دارسی بر یک، دو یا هر سه بُعد اعمال می‌شود.[۴] در دو یا سه بُعد، تراوش در حالت پایدار توسط قانون لاپلاس توضیح داده شده‌است. برنامه‌های رایانه‌ای برای حل این معادله در دسترس است. ولی به طور سنتی مسائل دو بعدی تراوش با استفاده از یک روند شکلی (با ترسیم) و با رسم شبکهٔ جریان حل می‌شد.[۴][۱۱][۱۴] یک دسته از خط‌های رسم شده در شبکه جریان، در جهت حرکت آب اند (خط‌های جریان) و دستهٔ دیگر، خط‌هایی هستند که روی آن‌ها ارتفاع کل ثابت است (خطوط هم پتانسیل). شبکهٔ جریان برای نمونه برای برآورد میزان تراوش در زیر سد و پرده‌های آب‌بند استفاده می‌شود.

شبکهٔ جریان، برای برآورد جریان آب از یک رودخانه به یک چاه تخلیه

نیروهای تراوش و فرسایش

وقتی سرعت تراوش زیاد باشد، پدیده فرسایش رخ می‌دهد و این به این دلیل است که دانه‌های خاک در اثر نیروی آب و اصطکاک موجود درمیانشان به یکدیگر ساییده می‌شوند و کم کم خاک دچار فرسایش می‌شود. تراوش به صورت عمودی و به سمت بالا، خود عامل ایجاد خطر در پایین دست پرده آب بند و یا زیر پنجهٔ سد یا یک خاکریز است. فرسایش در اثر تراوش می‌تواند باعث فروریختن سازه و یا ایجاد گودال شود. نشت آب خاک را می‌شوید و از آنجا می‌برد، از محل شروع نشت فرسایش شروع می‌شود و به سمت بالا می‌رود.[۱۵]

فشار تراوش

تراوش فشاری به سمت بالا وارد می‌کند و از تنش موثر موجود در خاک کم می‌کند. وقتی فشار آب در نقطه‌ای از خاک برابر است با تنش عمودی کل در آن نقطه، در نتیجه تنش موثر صفر است و خاک هیچ مقاومتی در برابر تغییر شکل از خود نشان نداده‌است. برای یک لایه سطحی، وقتی گرادیان هیدرولیکی به سمت بالا برابر با گرادیان بحرانی باشد تنش موثر عمودی در لایه صفر می‌شود. در تنش موثر صفر، خاک مقاومت بسیار کمی دارد و لایه‌هایی از خاک که نفوذناپذیرند ممکن است در اثر فشار آب از پایین، به سمت بالا هول داده شوند. به این اتفاق جوشش می‌گوییم، جوشش یکی از دلایل معمول شکست یک خاکریز است. شرط تنش موثر صفر که منجر به نشت آب (فشار) از پایین به سمت بالا روی لایه‌های خاک می‌شود منجر به روانگرایی، ماسه روان و یا جوشش می‌شود. در ماسه روان، دانه‌های ماسه گویی زنده‌اند و مانند آب در جریان، فردی که روی این ماسه ایستاده در آن بلعیده نمی‌شود ولی نیمی از بدنش در آب قرار می‌گیرد و روی آن شناور می‌ماند.

تحکیم: جریان گذرای آب

نوشتار اصلی: تحکیم خاک
شبیه‌سازی پدیدهٔ تحکیم. پیستون به آب لایهٔ زیرین و یک فنر تکیه کرده‌است، وقتی باری به پیستون اعمل می‌شود، فشار آب افزایش می‌یابد تا با فشار بالایی به تعادل برسد. از آنجایی که آب کم‌کم و به آرامی از سوراخ کوچکی که روی پیستون قرار دارد به بیرون تراوش می‌کند؛ فشار بار کم‌کم از آب به فنر منتقل می‌شود و نیروی فنر آن را تحمل می‌کند.

تحکیم روندی است که در طول آن حجم خاک کاهش می‌یابد. اگر تنشی بر خاک اعمال شود و باعث شود که دانه‌های خاک به یکدیگر نزدیک شوند و در هم جمع شوند، درنتیجه حجم خاک کاهش یابد؛ حال اگر خاک اشباع (از آب) باشد، در اثر فشار و کاهش حجم، آب موجود در خاک از میان دانه‌های آن خارج می‌شود. برای اینکه آب از میان دانه‌های یک لایهٔ ضخیم رسی خارج شود ممکن است سال‌ها زمان نیاز باشد ولی برای لایه‌های ماسه‌ای گاهی تنها چند ثانیه کافی است تا آب موجود در خاک در اثر فشار خارج شود.

ساخت یک ساختمان یا هر نوع سازه‌ای روی خاک، ممکن است باعث تحکیم در لایه‌های زیرین خاک شود که در اثر تحکیم، خاک آن قسمت نشست کند و باعث آسیب در ساختمان یا سازه شود. کارل ترزاقی نظریهٔ تحکیم را که دربارهٔ پیش‌بینی میزان نشست و مدت زمان لازم برای رخ دادن آن است گسترش داده‌است. برای بدست آوردن ضریب تحکیم خاک از آزمایش اوئدومتری استفاده می‌شود.

وقتی از روی یک خاک تحکیم یافته باربرداری می‌شود (تنش روی آن از بین می‌رود.) خاک دوباره به حالت اول خود برمی‌گردد و دوباره آب به درون حفره‌های میان دانه‌های آن باز می‌گردد و مقدار فضای خالی میان دانه‌ها، که دراثر تحکیم ازبین رفته بود دوباره بدست می‌آید. اگر بازهم روی خاک بارگذاری صورت گیرد و تنشی به آن وارد شود همزمان با دورهٔ بارگذاری با توجه به شناسهٔ تحکیم خاک، دوباره تحکیم خواهیم داشت. خاکی که قبلا در اثر یک بار خیلی بزرگ دچار تحکیم شده و بعد از روی آن باربرداری شده‌است، خاک پیش تحکیم‌یافته می‌گوییم. بزرگترین تنشی که در گذشته به خاک وارد شده و باعث تحکیمش شده نیز تنش پیش تحکیم یافتگی نام دارد. خاکی که در حال حاضر بیش‌ترین تنش ممکن را دارد تحمل می‌کند و درحال تحکیم است را عادیِ‌تحکیم یافته می‌نامیم. ضریب پیش‌تحکیم یافتگی یا (OCR) برابر است با نسبت بزرگترین تنش موثری که خاک در گذشته تجربه کرده‌است به تنش موثری که هم اکنون تحمل می‌کند. دلیل اهمیت این ضریب در دو مطلب است: یکم، چون میزان فشردگی خاک در حالت عادی‌تحکیم یافته خیلی بیشتر از فشردگی آن در حالت پیش‌تحکیم یافته‌است. دوم، رفتار برشی خاک‌های رسی با توجه به معیارهایی که در مکانیک خاک تعریف شده‌است، وابسته به ضریب پیش تحکیم یافتگی آن‌ها است. خاک‌های پیش‌تحکیم یافته با تنش‌های بزرگ بیشتر تمایل به گشادی و افزایش حجم دارند درحالی که خاک‌های عادی تحکیم یافته بیشتر تمایل به کاهش حجم و انقباض دارند.

رفتار برشی: سختی و مقاومت

نوشتار اصلی: مقاومت برشی (خاک)
نمای کلی منحنی تنش - کرنش برای یک خاک زه‌کشی‌شده

مقاومت برشی و سختی خاک تعیین می‌کند که خاک پایدار خواهد بود یا خیر و یا اینکه چقدر در اثر فشار بار تغییر شکل خواهد داشت. داشتن اطلاعات از مقاومت خاک لازم است تا بتوانیم تعیین کنیم که آیا یک شیروانی (خاک شیبدار) پایدار خواهد ماند، یا یک ساختمان یا پل چه مقدار نشست خواهد داشت، و یا تنش محمدود کننده روی یک دیوار حائل چقدر خواهد بود. مهم است که شکست عناصر خاک را متفاوت از شکست کل یک سازه خاکی (مانند: پی ساختمان، شیروانی و یا دیوار حائل) بدانیم. برخی عناصر خاک ممکن است قبل از شکست سازه، به اوج مقاومت خود برسند. برای تعیین «مقاومت برشی» و «نقطهٔ تسلیم» خاک از روی منحنی تنش - کرنش، می‌توان از معیارهای مختلف استفاده کرد.

اصطکاک و قفل و بند میان دانه‌ها

خط حالت بحرانی، حالت‌های انبساطی و انقباضی خاک را از یکدیگر جدا می‌کند.

خاک، آمیخته‌ای از دانه‌ها است که این دانه‌ها، گاهی دارای ویژگی چسبندگی اند (سیمانی شدن) و گاهی اصلا این ویژگی را ندارند؛ درحالی که سنگی که این دانه‌ها از آن جدا شده‌اند، شامل مجموعه‌ای از دانه‌های مختلف بوده‌است که با پیوندهای شیمیایی به یکدیگر چسبیده بودند. مقاومت برشی خاک در درجهٔ اول، از اصطکاک داخلی میان دانه‌ها ناشی می‌شود، بنابراین مقاومت برشی در یک صفحه تقریبا متناسب است با تنش موثر عمود بر سطح آن صفحه. خاک از قفل و بند (اتصال داخلی) میان دانه‌ها، مقاومت برشی زیادی بدست می‌آورد. اگر دانه‌ها به صورت خیلی متراکمی به یکدیگر متصل شده باشند در اثر تغییر شکل برشی تمایل به دور شدن از یکدیگر دارند

معیارهای شکست

خاک بعد از رسیدن به حالت بحرانی، دیگر نمی‌تواند افزایش یا کاهش حجم داشته باشد. تنش برشی در صفحهٔ شکست  \tau_{crit} را با استفاده از تنش عمودی موثر در صفحهٔ شکست  \sigma_n ' و زاویهٔ اصطکاک حالت بحرانی   \phi_{crit} '\ تعیین می‌کنیم:

 \tau_{crit} = \sigma_n ' \tan \phi_{crit} '\

مقاومت نهایی خاک می‌تواند بزرگتر از این باشد، با این حال به دلیل قفل و بست میان دانه‌ها، این مطلب به شکل زیر بیان می‌شود:

 \tau_{peak} = \sigma_n ' \tan \phi_{peak} '\

که   \phi_{peak}' > \phi_{crit}' با این حال در طراحی، برای استفاده از زاویهٔ اصطکاک بزرگتر از زاویهٔ حالت بحرانی، باید مراقب بود. در یک مسئلهٔ عملی مانند پی یک سازه یا دیوار حائل یا یک شیروانی این گونه نیست که مقاومت نهایی خاک در تمام نقاط آن بسیج شود، زاویهٔ اصطکاک حالت بحرانی مانند مقاومت حداکثر خاک متغیر نیست و بهتر است با تکیه بر مقادیر آن مسئله را حل کرد.

بدون در نظر گرفتن اهمیت افزایش حجم خاک، کولمب پیشنهاد کرد که مقاومت برشی خاک را می‌توان بوسیلهٔ ترکیبی از چسبندگی و اصطکاک داخلی خاک، توضیح داد:

 \tau_f = c' + \sigma_f ' \tan \phi '\,

امروزه به خوبی می‌دانیم که  \phi' و   c ' ، که در معادلهٔ آخر از آن‌ها استفاده شد، از ویژگی‌های بنیادی خاک نیستند. بویژه مقادیر  \phi' و   c ' وابسته به بزرگی تنش موثر و زه‌کشی‌شده بودن یا نبودن خاک است. مطابق اسکوفیلد (۲۰۰۶)، استفاده طولانی مدت از   c ' در مسئله‌ها باعث شده که بسیاری مهندسین را به اشتباه بیاندازد که   c ' ویژگی بنیادی خاک است. این فرض که  \phi' و   c ' همواره ثابت اند، ممکن است منجر به برآوردی بیشتر از مقاومت نهایی شود.

سازه، ساختار و شیمی

علاوه بر اصطکاک داخلی و اتصال میان دانه‌های خاک (چسبندگی)، به عنوان عوامل موثر در مقاومت آن، سازه و ساختار خاک نیز در رفتار آن نقش مهمی بازی می‌کنند. سازه و ساختار، شامل عواملی است نظیر: فاصله‌های میان دانه‌ها جامد و نظم آن‌ها و توزیع آب در فضای میان آن‌ها یا در مواردی نیز مواد سیمانی در فاصلهٔ میان دانه‌ها تجمع پیدا می‌کنند. رفتار مکانیکی خاک از چگالی دانه‌های جامد، سازهٔ آن‌ها، آرایششان و میزان سیال موجود در فضای میان آن‌ها و توزیعش (مانند آب یا هوا) تاثیر می‌گیرد. البته، عوامل دیگری مانند بار الکتریکی دانه‌ها، ویژگی‌های شیمیایی آب حفره‌ای و پیوندهای شیمیایی میان دانه‌ها (سیمانی شدن دانه‌های مرتبط با یکدیگر در اثر عواملی نطیر بلوری شدن دوبارهٔ کربنات کلسیم) نیز وجود دارد.

برش زه‌کشی‌شده و زه‌کشی‌نشده

حضور یک سیال تقریبا تراکم‌پذیر مانند آب در فضای حفره‌ای درون خاک بر افزایش و کاهش حجم فضاهای حفره‌ای خاک تاثیر می‌گذارد.

اگر این فضاهای حفره‌ای از آب اشباع باشد، برای افزایش حجم خاک باید آب به درون حفره‌های درون آن مکیده شود تا این حفره‌ها را پر کنند. به همین ترتیب اگر خاک بخواهد کاهش حجم داشته باشد، ناچار باید آب از داخل حفره‌هایش خارج شود تا حجم کل خاک کاهش یابد. افزایش حجم حفره‌های هوا در خاک باعث ایجاد فشار منفی در آب می‌شود و باعث مکیده شدن آب به درون حفره‌ها می‌گردد و درمقابل اگر حجم حفره‌ها کاهش یابد، فشار آب حفره‌ای مثبت ایجاد می‌شود و آب به بیرون از حفره‌ها هول داده می‌شود.

اگر نرخ برش وارده به خاک خیلی بیشتر از سرعت مکیده شدن آب به درون یا بیرون رفتن آن از فضاهای حفره‌ای خاک باشد؛ به این نوع برش، برش زه‌کشی‌نشده می‌گوییم. اما اگر برش وارده به خاک به اندازه کافی به آرامی وارد شود تا آب فرصت کافی داشته باشد تا از حفره‌های خاک خارج شود و فشار وارده به آب ناچیز باشد؛ به آن برش زه‌کشی‌شده می‌گوییم. با توجه به رابطه تنش موثر، تغییر در فشار آب حفره‌ای u، مستقیم بر مقدار تنش موثر اثر می‌گذارد:

\sigma' = \sigma - u\,

آزمایش‌های برش

مقاومت خاک را می‌توان در آزمایشگاه با استفاده از آزمایش برش مستقیم، آزمایش سه محوری، آزمایش برش ساده، آزمایش رها کردن مخروط و آزمایش برش پره بدست آورد. البته امروزه ابزارها و روش‌های گوناگون دیگری برای این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد. آزمایش‌هایی که برای بدست آوردن مقاومت و سختی خاک در محل مورد استفاده قرار می‌گیرند (آزمایش‌های درجا) عبارتند از آزمایش نفوذ مخروط و آزمایش نفوذ استاندارد.

سایر عوامل

از دیگر عوامل موثر بر رابطهٔ تنش - کرنش خاک و درنتیجه مقاومت برشی آن، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  1. ترکیبات خاک (مواد پایه‌ای خاک) کانی‌شناسی، اندازهٔ دانه‌ها، توزیع اندازهٔ دانه‌ها، هندسهٔ دانه‌ها، نوع و محتوی سیال حفره‌ای موجود در خاک و یون‌های موجود در سیال حفره‌ای.
  2. حالت (اولیه): بوسیلهٔ نسبت خلاء اولیه، تنش موثر عمودی و تنش برشی (پیشینهٔ برش) تعریف می‌شود. حالت خاک را می‌توان با عبارت‌هایی مانند: شُل، متراکم، پیش‌تحکیم یافته، عادی تحکیم یافته، سخت، نرم، انبساطی، انقباضی و ... تعریف کرد.
  3. سازه: مفهوم سازه بر می‌گردد به آرایش دانه‌ها در تودهٔ خاک، روشی که بوسیلهٔ آن دانه‌ها در یکدیگر متراکم یا توزیع شده‌اند. مفاهیمی مانند لایه‌های خاک، اتصالات درونی، صیقلی بودن سطح سنگ، ویژگی‌های سیمانی شدن (چسبندگی) و ... را می‌توان به این مفهوم مرتبط کرد. سازهٔ یک خاک را می‌توان با استفاده از عباراتی مانند دست نخورده، به هم خورده، متراکم، دارای چسبندگی، لایه لایه، دانه‌ای، دارای ویژگی ورقه ورقه شدن، همگن، ناهمگن و ... توصیف کرد.
  4. شرایط بارگذاری: مسیر تنش موثر در حالت‌های زه‌کشی‌شده، زه‌کشی‌نشده، نوع بارگذاری از نظر بزرگی بار، نرخ بارگذاری (ایستایی یا دینامیک بودن بار) و پیشینهٔ بارگذاری (دوره‌ای، یکنواخت)

How much does it cost to lengthen your legs?
دوشنبه 16 مرداد 1396 06:06 ب.ظ
Can you tell us more about this? I'd want to find out more details.
Alberta
دوشنبه 25 اردیبهشت 1396 05:48 ق.ظ
This piece of writing will help the internet viewers for creating new blog or even a weblog from start to end.
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر

درباره وبلاگ

مدیر وبلاگ : reza

آخرین پست ها

جستجو

نویسندگان