ایستاسازه
En Ar

خانه - آموزش - انواع آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها Different Types of Element Test for Soil) Liquefaction Assessment)

در این نوشتار سه دسته از دستگاه های متداول مطالعه و آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها شامل دستگاه سه محوری، برش ساده و استوانه پیچشی مورد مطالعه قرار گرفته است. تحقیقات اولیه بر روی رفتار روانگرایی خاک ها و مقاومت روانگرایی ماسه ها ابتدا تنها توسط دستگاه سه محوری و بعدها با توسعه دستگاه برش ساده توسط آن و سپس دستگاه استوانه پیچشی انجام گرفته است.

همه دستگاه های مورد استفاده در تحقیقات و آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها دارای مزایا و معایب خاص خود هستند و به طور گسترده در تحقیقات ژئوتکنیک مورد استفاده محققین قرار می گیرند. هر چند آزمایش سه محوری برای شبیه سازی پاسخ خاک در محل نسبت به دستگاه برش ساده نامناسب است ولی برای درک ساز و کار روانگرایی و چگونگی افت مقاومت خاک می تواند مناسب باشد. با توجه به اینکه دستگاه سه محوری به لحاظ تاریخی پرکاربردترین دستگاه در این زمینه می باشد ولی داده های حاصل از این دستگاه بایستی به شکل مناسبی مورد اصلاح قرار گیرد تا بتواند به درستی معرف شرایط واقعی و برجای خاک و وقوع روانگرایی در محل باشد. دستگاه های استوانه پیچشی و برش ساده به دلیل اعمال مستقیم تنش برشی می توانند داده های با کیفیت و تا حدود زیادی نزدیک به واقعیت را در مورد رفتار روانگرایی ارائه دهند. اگرچه هر کدام از این دستگاه ها مزایا و معایب خاص خود را دارند ولی می توانند از طریق انجام آزمایش های با کیفیت و استفاده از تجهیزات با دقت بالا زمینه ساز تحقیقات گسترده ای در زمینه رفتار روانگرایی خاک ها باشند. در این تحقیق سعی شده است ضمن بررسی انواع دستگاه و آزمایش های متداول المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها، به بیان نقاط ضعف و قوت هر کدام پرداخته شود. یکی از بهترین روش‌ های تعیین پارامترهای مقاومت برشی خاک نظیر زاویه اصطکاک داخلی (Internal friction angle) و ضریب چسبندگی (Cohesion) نیز، آزمایش سه محوری خاک می باشد که نسبت به روش ‌های دیگر اندازه‌ گیری مقاومت مانند آزمایش برش مستقیم، روشی قابل اعتماد و پیچیده ‌تر می باشد. تفاوت و علت قابل اعتماد بودن آزمایش سه محوری نسبت به برش مستقیم این است که در آزمایش برش مستقیم، خاک به اجبار از محل درز بین دو قسمت جعبه گسیخته می شود ولی در آزمایش سه محوری، خاک از محل ضعیف ترین صفحه خود گسیخته می شود.

انواع آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها - شرکت عمرانی مهندسی ایستاسازه
انواع آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها – شرکت عمرانی مهندسی ایستاسازه

انواع آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها

مطالعه رفتار روانگرایی ماسه ها به طور گسترده از اوایل سال 1964 بعد از زلزله آلاسکا و نیگاتا توسط پروفسور سید و همکارانشان آغاز گردید. آزمایش های روانگرایی خاک عمدتاً با دو هدف اساسی زیر طراحی و اجرا می گیرند:

  1. شناخت ساز و کار و رفتار منجر به پدیده روانگرایی
  2. بررسی احتمال وقوع پدیده روانگرایی در محل
اهداف آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها
اهداف آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها

عمده تحقیقات طراحی شده به منظور شناخت پدیده روانگرایی بر روی ماسه های تمیز و یا با درصد محدود ریزدانه و سیلت انجام شده است. دسته اول تحقیقات، پژوهش های مربوط به آزمایش های صحرایی در محل های مستعد روانگرایی می باشد. این تحقیقات عمدتاً به شکل مقایسه مقاومت روانگرایی خاک محل با استفاده از آزمایش های در محل و نتایج آزمایش های انجام گرفته در آزمایشگاه می باشد. اصلی ترین ضعف این گونه تحقیق‌ ها آن است که مقایسه نتایج انجام گرفته بر روی خاک دست نخورده در محل با نمونه های بازسازی شده در آزمایش ها برای احتمال وقوع روانگرایی دارای خطاهایی می باشد.

تنها از خاک هایی با درصد کافی از رس می توان نمونه دست نخورده تهیه کرد. استفاده از روش هایی همچون فریز کردن می تواند روشی مناسب برای دستیابی به نمونه دست نخورده باشد. با این حال، افزایش تنش های همه جانبه برای تحکیم مجدد نمونه ها باعث دست خوردگی آنها می گردد. یکی از راه حل هایی که در سال های اخیر بسیار مورد توجه محققین قرار گرفته است، استفاده از سرعت موج برشی و اندازه گیری آن در محل و آزمایشگاه می باشد. نتایج حاصل از تحقیقات نشان داده‌ است که مقاومت روانگرایی نمونه های بازسازی شده و نمونه های دست نخورده از محل می تواند نتایج یکسانی از خود نشان دهند، به شرطی که سرعت موج برشی در آنها یکسان باشد.

دسته دوم تحقیقات، آزمایش هایی است که بر روی المانی از خاک در محل آزمایشگاه انجام می پذیرد. در این دسته از تحقیقات نمونه خاک مورد استفاده ممکن است دست خورده و یا دست نخورده باشد. در سال های اخیر با گسترش مدل های عددی با قابلیت پیش بینی رفتار خاک های مستعد روانگرایی در محل، ضرورت انجام تحقیقات المانی بر روی خاک های مختلف به منظور کالیبره کردن مدل های عددی افزایش یافته است. دسترسی به یک مدل مناسب با قابلیت پیش بینی صحیح رفتار خاک بدون وجود داده های آزمایشگاهی مناسب که تا حد امکان شرایط آن به شرایط واقعی خاک در محل نزدیک باشد، امکان پذیر نیست. در این بین وجود داده های ناشی از تحقیقات المانی بر روی ماسه های کربناته نقاط مختلف دنیا بسیار اندک و عمدتاً نادر است. تحقیق روی این گونه از ماسه ها با  قابلیت بروز پدیده روانگرایی سبب خواهد شد که علاوه بر شناخت ساز و کار وقوع این پدیده و افزایش فشار آب حفره ای در ماسه های خردشونده با منشأ کربناتی، داده های مناسب برای کالیبراسیون مدل های عددی بر روی این ماسه ها تهیه گردد.

انواع آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها - ایستاسازه
انواع آزمایش های روانگرایی – ایستاسازه

تحقیقات اولیه روی رفتار روانگرایی و مقاومت روانگرایی ماسه ها ابتدا تنها توسط دستگاه سه محوری و بعدها با توسعه دستگاه برش ساده توسط آن و سپس دستگاه استوانه پیچشی انجام گرفته است. همه دستگاه های مورد استفاده در تحقیقات المانی رفتار روانگرایی دارای مزایا و معایب خاص خود هستند و به طور گسترده در تحقیقات ژئوتکنیک مورد استفاده محققین قرار می گیرند. هرچند آزمایش سه محوری برای شبیه سازی پاسخ خاک در محل نسبت به دستگاه برش ساده نامناسب است ولی برای مطالعه و درک ساز و کار روانگرایی و چگونگی افت مقاومت خاک می تواند مناسب باشد.

دستگاه سه محوری آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران - شرکت ایستاسازه
دستگاه سه محوری آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران

دستگاه سه محوری آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران

آزمایش سه محوری برای مطالعه و درک ساز و کار روانگرایی و چگونگی افت مقاومت خاک مناسب می باشد.

شرایط مرزی در آزمایش های المانی

در مطالعات آزمایشگاهی به شکل المانی، بایستی از دو جنبه به شرایط المان مورد آزمایش توجه داشت. جنبه اول شرایط داخلی خود المان خاک مورد آزمایش و جنبه دوم شرایط مرزی المان خاک می باشد. آنچه در مورد شرایط داخلی المان خاک مهم می باشد، بیشتر به درصد بالای یکنواختی تنش و کرنش در سراسر المان مربوط می باشد. برای آزمایش های مربوط به بحث روانگرایی مهم ترین مسئله یکنواخت بودن توزیع فشار آب حفره ای در تمام نقاط المان مورد آزمایش است. برای رسیدن به این یکنواختی، بایستی المان خاک به اندازه کافی در مقیاس کوچک انتخاب شده و همچنین توزیع نسبت تخلخل در کل نمونه یکنواخت باشد.

برای اعمال شرایط مرزی در مرزهای المان مورد آزمایش بایستی به هر دو شرایط برجای خاک و شرایط میدانی تنش موجود در محیط توجه شود. برای نیل به این هدف، یک طیف گسترده ای از ساده سازی ها و فرضیات در مورد شرایط برجای خاک در طول بارگذاری دینامیکی تعریف می شود. این ساده سازی ها که در جدول زیر ارائه گردیده است، شامل موارد زیر می باشد.

  1. حجم ثابت المان خاک
  2. بار قائم ثابت
  3. کرنش جانبی صفر
  4. ارتفاع ثابت نمونه
ساده سازی ها و فرضیات در مورد شرایط برجای خاک در طول بارگذاری دینامیکی
ساده سازی ها و فرضیات در مورد شرایط برجای خاک در طول بارگذاری دینامیکی

شرایط مرزی ایده آل در محل

شرایط مرزی ایده آل در محل - آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها

بر طبق فرضیات موجود، شرایط حجم ثابت با این فرض انجام می گیرد که امکان هیچ گونه زهکشی و خروج ماده جامد و آب از نمونه در حین بارگذاری دینامیکی ایجاد نگردد. در نتیجه، تغییرات فشار آب حفره ای در نمونه قابل اندازه گیری خواهد بود. برای شبیه سازی کامل شرایط در محل، در المان مورد آزمایش بایستی شرایط مرزی بر روی مرزهای المان تا حد امکان به شرایط واقعی نزدیک باشد.

شرایط مرزی ایده آل برای المان خاک قرار گرفته در شرایط زمین مسطح (شرایط عدم وجود برش استاتیکی اولیه) و شرایط قرارگیری در شیب و یا زیر شالوده سازه (وجود برش استاتیکی اولیه) در شکل زیر نشان داده ‌شده است.

شرایط مرزی ایده آل تنش برای نمونه خاک در حالت اولیه و بارگذاری سیکلی - ایستاسازه
شرایط مرزی ایده آل تنش برای نمونه خاک در حالت اولیه و بارگذاری سیکلی

برای شرایط زمین مسطح، تنش های موجود شامل تنش های اصلی نرمال σ’n و تنش اصلی جانبی σiat بدون هیچ گونه تنش برشی در مرزها می باشد. برای حالت قرارگیری در شیب و یا سربار ناشی از روسازه، هیچ کدام از تنش های راستای نرمال در المان فوق به دلیل وجود یک برش استاتیکی موازی سطح زمین، تنش های اصلی نمی باشند. در بسیاری از کارهای مهندسی، در نظر گرفتن جهت عمود بر سطح برای جهت انتشار موج برشی ناشی از زلزله مرسوم هست. با شرط افزایش سرعت موج برشی در عمق، فرضیه فوق در بسیاری از محل ها صحیح هست. بدین ترتیب، به دلیل وجود موج برشی لرزه ای شرایط مرزی المان های خاک مطابق آنچه در شکل زیر نشان داده ‌شده است، خواهد بود. این شرایط باعث چرخش تدریجی جهت تنش های اصلی در حین بارگذاری سیکلی می گردد. چرخش تنش های اصلی تأثیر بسیار زیادی بر روی افزایش فشار آب حفره ای و مقدار کرنش های ماندگار دارد.

دستگاه های آزمایش المانی رفتار روانگرایی خاک

در آزمایشگاه تا حد امکان می بایستی شرایط در محل، در نمونه بازسازی شود. از جمله مراحل لازم برای رسیدن به نتایج مناسب و مورد اطمینان می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  1. اعمال شرایط مرزی و بارگذاری مناسب
  2. ساخت و آماده سازی مناسب نمونه
  3. توجه به وضعیت شکل و شرایط فیزیکی نمونه
  4. پروسه و فرآیند آزمایش
مراحل لازم برای رسیدن به نتایج مناسب و مورد اطمینان در آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها
مراحل لازم برای رسیدن به نتایج مناسب و مورد اطمینان در آزمایش های المانی

حصول شرایط مطلوب حین انجام آزمایش ها، ارتباط مستقیمی به تجهیزات مورد استفاده دارد. در ادامه، به توضیح سه مورد از دستگاه های متداول و پرکاربرد در آزمایش های المانی مربوط به روانگرایی شامل دستگاه سه محوری، دستگاه برش ساده و دستگاه استوانه پیچشی پرداخته خواهد شد. هر کدام از این تجهیزات دارای فواید و کاستی هایی هستند. در جدول زیر خلاصه ای از این فواید و کاستی ها ارائه شده است.

مقایسه انواع دستگاه های آزمایش المانی

مقایسه انواع دستگاه های آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها


دستگاه سه محوری

از اواخر دهه 70 میلادی، تحقیقات بر روی رفتار دینامیکی خاک های مستعد روانگرایی با استفاده از دستگاه سه محوری سیکلی توسط سید و لی آغاز گردید. استفاده از این دستگاه به دلیل سادگی و در دسترس بودن در اکثر مراکز تحقیقاتی، حجم بسیار زیادی از تحقیقات المانی روانگرایی در طول سه دهه اخیر را به خود اختصاص داده است. در این آزمایش عمدتاً از یک نمونه استوانه ای دارای غشای غیر مسطح که توسط فشار همه جانبه سلول نگه داشته می شود، استفاده می گردد.

دستگاه سه محوری دینامیکی (سیکلیک) آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران - شرکت مهندسی ایستاسازه
دستگاه سه محوری دینامیکی (سیکلیک) آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران – شرکت مهندسی ایستاسازه

حجم بسیار زیادی از تحقیقات و آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها در طول سه دهه اخیر به آزمایش سه محوری خاک اختصاص دارد.

در این آزمایش سه محوری خاک یک بار قائم نرمال سیکلیک در شرایط تحکیم ایزوتروپیک و یا غیرایزوتروپیک به نمونه وارد شده و پاسخ خاک تحت این بارگذاری بررسی می گردد. عمده ترین مشکل این دستگاه یعنی مسیر تنش در حین انجام آزمایش سه محوری را می توان با آنالیز دایره موهر مطابق آنچه در شکل زیر نشان داده‌ شده است، بیان کرد. می توان مشاهده کرد که جهت تنش های اصلی در آزمایش سه محوری در شرایط ایزوتروپیک و غیرایزوتروپیک به صورت ناگهانی دارای چرخش 90 درجه ای است. این مسئله متفاوت از چرخش تدریجی نسبت به تنش های اصلی است که در محل و تحت بارگذاری های لرزه ای در واقعیت اتفاق می افتد. این مسئله همچنین از این جهت نیز حائز اهمیت است که چرخش راستای تنش های اصلی دارای نقش بسیار مهمی در تولید اضافه فشار آب حفره ای و تجمع تغییر شکل های ماندگار می باشد. علاوه بر این، شرایط مرزی در آزمایش سه محوری مطابق با شرایط انتشار یک بعدی موج لرزه ای (عدم تغییر شکل جانبی) نیست. به ازای هندسه نمونه و شکل بارگذاری اعمالی در آزمایش سه محوری تنها شرایطی همچون وقوع حجم ثابت و اشباع کامل به خوبی قابل کنترل است.

از دیگر مشکلات آزمایش سه محوری این است که روانگرایی در سیکل های کمتری نسبت به آزمایش برش ساده اتفاق می افتد. آزمایش های سه محوری فشاری تا حد زیادی تحت تأثیر بخش کششی سیکل تنش است. این موضوع موجب افزایش تعداد سیکل های لازم برای وقوع روانگرایی می شود. همچنین در نسبت تنش های بالا (CSR های بالا) قسمت های بالایی کلاهک از نمونه جدا می شود. با این وجود، اگر اصلاحات لازم در این آزمایش انجام شود، می توان از نتایج آزمایش های سه محوری برای ارائه گراف های CSR در مقابل تعداد سیکل های لازم برای وقوع روانگرایی استفاده کرد.

نمایش تجهیزات آزمایش سه محوری خاک به صورت شماتیک
نمایش تجهیزات آزمایش سه محوری خاک به صورت شماتیک


دستگاه برش ساده

دستگاه برش ساده از جمله دستگاه های با قابلیت خاص است که عمدتاً در مراکز تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرد و کمتر مصرف تجاری دارد. پس از ساخت این دستگاه، تغییرات زیادی در طراحی و شکل آن در طی دهه های گذشته به وجود آمده است.

در رایج ترین شکل آزمایش با استفاده از این دستگاه، یک بار نرمال و برشی به یک نمونه استوانه ای شکل (شکل NGI) اعمال می شود که می تواند تحت شرایطk0  تحکیم یافته باشد. اولین دستگاه برش ساده دو محوره توسط ایشی هارا و یامازاکی در دانشگاه توکیو ژاپن طراحی و ساخته شد. شکل شماتیک این دستگاه در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل شماتیک دستگاه برش ساده دو جهته ایشی هارا و یامازاکی - ایستاسازه
شکل شماتیک دستگاه برش ساده دو جهته ایشی هارا و یامازاکی – ایستاسازه

دستگاه ایشی هارا و یامازاکی توانایی اعمال بارگذاری برشی دو جهته به صورت رفت و برگشتی را دارد. بنابراین می توان با این دستگاه، بارگذاری دایره ای و حتی بیضی شکل را به نمونه اعمال کرد. در شکل زیر دستگاه برش ساده دو جهته آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران ارائه گردیده است. این دستگاه در واقع مدل پیشرفته ای از دستگاه ایشی هارا و یامازاکی می باشد.

دستگاه برش ساده دو جهته آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران
دستگاه برش ساده دو جهته آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران

به طور کلی آزمایش برش ساده دارای 3 مزیت اصلی است. اولین مزیت این آزمایش این است که بارهای اعمالی به نمونه دارای شباهت زیادی به بارهایی است که خاک در شرایط واقعی و در محل تجربه می کند. مشابه شرایط واقعی، راستای تنش اصلی یک چرخش تدریجی در طی فرآیند آزمایش برش ساده را تجربه می کند. مهم ترین مزیت آزمایش برش ساده توانایی این دستگاه در اعمال بارگذاری برشی در دو جهت به صورت کاملاً مستقل از هم است. این مزیتی است که تنها در دستگاه برش ساده وجود دارد. مزیت دیگر این آزمایش این است که به دلیل ارتفاع کم نمونه ها (نسبت قطر به ارتفاع زیاد) توزیع تنش در کل نمونه یکنواخت تر و باز توزیع اضافه فشار حفره ای در همه نقاط نمونه یکنواخت تر از سایر مدل های آزمایش المانی است.

تنش همه جانبه و محدودیت های جانبی در آزمایش برش ساده معمولاً توسط رینگ های فلزی یا پلاستیکی توصیه شده توسط انجمن ژئوتکنیک نروژ (NGI) تأمین می گردد. در بعضی از مدل ها مانند دستگاه استفاده ‌شده در آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران، این فرآیند از طریق اعمال فشار سلول و غشای مسلح به حدی که ارتفاع نمونه ثابت نگه داشته شود، انجام می پذیرد. مزیت استفاده از روش رینگ ها این است که تنش مؤثر جانبی به صورت اتوماتیک در طی آزمایش حفظ می شود. همچنین این شرایط انطباق خوبی با شرط مرزی کرنش جانبی برابر با صفر دارد. در دستگاه ها با قابلیت آزمایش به صورت کاملاً اشباع، وجود رینگ های فلزی باعث حفظ شرایط مرزی که در بخش قبل توضیح داده شد، می شود. شاید تنها ایرادی که این رینگ ها دارند، این است که علی رغم اینکه شرایط نمونه در حالت شرایط k0 است ولی نه مقدار k0 و نه مقدار تنش مؤثر جانبی در این روش مشخص نیست. همچنین از شرایط وجود اشباع کامل نیز نمی توان مطمئن بود.

متأسفانه تعداد دستگاه های با قابلیت اعمال فشار سلول در مراکز تحقیقاتی اندک است. در دستگاه های فاقد سلول فشار جانبی امکان انجام آزمایش به صورت اشباع کامل وجود ندارد. بنابراین عمده تحقیقات انجام ‌شده بر روی ماسه خشک و استفاده از شرایط مرزی ارتفاع ثابت انجام‌گرفته است. در طول این نوع آزمایش بار قائم اجازه افت پیدا می کند تا از این طریق، ارتفاع نمونه ثابت نگه ‌داشته شود. میزان کاهش بار قائم برابر با اضافه فشار آب حفره ای در حالت کاملاً اشباع و شرایط زهکشی نشده فرض می شود. در نهایت سیکل های منجر به رسیدن به حالت روانگرایی در آزمایش مشخص می گردد. شایان ذکر است در چند سال اخیر دستگاه هایی با قابلیت اعمال فشار همه جانبه سلول طراحی و ساخته ‌شده است.

مهم ترین ضعف دستگاه برش ساده، فقدان تولید تنش برشی مکمل است. در این حالت، در حالی که تنش برشی اعمالی در کلاهک فوقانی وارد می شود، هیچ گونه عامل خارجی وجود نخواهد داشت که تنش برشی تعادلی را در کناره های نمونه وارد کند. استفاده از مدل ها و نمونه های دارای رینگ های فلزی تا حدودی می تواند باعث بسیج تنش های برشی مکمل در سطح تماس رینگ و نمونه گردد. عدم وجود تنش برشی تعادلی مکمل در کناره ها ممکن است باعث پیچ و تاب خوردن نمونه در طول آزمایش گردد.

این مسئله هم به صورت آزمایشگاهی و هم به صورت عددی توسط محققین مورد مطالعه قرار گرفته است. آنچه از نتایج تحقیقات بر روی نمونه های استوانه ای با نسبت قطر به ارتفاع بین 3/75 و 7/5 بر می آید، این است که نتایج این آزمایش ها تقریباً مقاومت یکسانی را نشان می دهند. به بیان ‌دیگر برای نسبت های بزرگ تر از 4 سهم برش جانبی مکمل در نتایج بسیار ناچیز می شود.

دستگاه استوانه پیچشی

این دستگاه به طور عمده به دو نوع استوانه ای کامل و استوانه ای توخالی تقسیم بندی می شود. یک مدل از دستگاه استوانه توخالی در آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران موجود می باشد که در شکل زیر نشان داده شده است. تنش برشی در این دستگاه به آرامی از طریق کلاهک بالایی به نمونه استوانه ای وارد شده و در حین بارگذاری سیکلیک برخلاف دستگاه سه محوری، راستای تنش های اصلی دچار چرخش تدریجی نخواهد شد. از این رو، داده های حاصل از آزمایش استوانه پیچشی با تقریب خوبی می تواند شرایط برجای خاک را ایجاد نماید. در طول آزمایش، نمونه ها در غشای غیرمسلح تحکیم می شود. در مدل استوانه ای توخالی، فشار توسط سلول بیرونی و سلول داخلی به نمونه اعمال می گردد که معمولاً فشار داخل و خارج نمونه یکسان است. در یک سری موارد خاص، می تواند فشار داخل و خارج را اندکی متفاوت وارد کرد (البته به مقدار اندک) و از این طریق می توان مسیرهای تنش متفاوتی به نمونه اعمال کرد.

دستگاه استوانه پیچشی آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران - آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها
دستگاه استوانه پیچشی آزمایشگاه ژئوتکنیک دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تهران

ترکیب متفاوتی از تنش های داخلی و خارجی و تنش نرمال، مسیرهای تنش غیرمعمول را باعث می گردد. به دلیل هندسه خاص این دستگاه، امکان بارگذاری به صورت چند جهته در یک صفحه امکان پذیر نمی باشد. شاید بتوان گفت بزرگترین مزیت دستگاه های استوانه پیچشی امکان اعمال دامنه کرنش های بسیار زیاد به نمونه می باشد. از این طریق، می توان رفتار روانگرایی را در دامنه های بسیار بزرگ مورد بررسی قرار داد. از مشکلات اصلی دستگاه استوانه پیچشی می توان به عدم یکنواختی تنش و کرنش برشی در طول شعاع دایره مقطع نمونه دانست. طراحی مدل استوانه توخالی تا حدودی این مشکل را حل کرده است ولی همچنان در این دستگاه نیز عدم یکنواختی وجود دارد. از آنجا که روانگرایی یک پدیده غیرخطی شدیداً وابسته به کرنش است، این عدم یکنواختی بر روی رفتار روانگرایی تأثیر زیادی می گذارد. از دیگر مشکلات دستگاه استوانه پیچشی می توان به ارتفاع زیاد نمونه مخصوصاً در مدل بزرگ مقیاس و عدم یکنواختی تنش و باز توزیع فشار آب حفره ای در داخل نمونه اشاره کرد. این دستگاه به طور معمول توانایی اعمال شرایط کرنش جانبی برابر با صفر را فراهم نمی کند. همچنین شرایط تغییر حجم ثابت به صورت کلی برای کل نمونه برقرار بوده ولی به صورت محلی این شرایط برقرار نیست. نمونه هایی از دستگاه استوانه پیچشی با قابلیت اعمال تغییرشکل جانبی برابر با صفر توسط توهاتا و ایشی هارا طراحی و ساخته شده است که این دستگاه ها نیز به دلیل حفظ شرایط ارتفاع ثابت و حجم ثابت در کرنش های نزدیک به روانگرایی و ضعیف شدن نمونه دچار مشکلاتی از جمله تغییر دانسیته نمونه در بالا و پایین و عدم یکنواختی فشار آب حفره ای است. اگرچه شرایط جانبی برابر با صفر را به خوبی و مطابق با شرایط برجای خاک ایجاد می کند.

شکل شماتیک دستگاه استوانه پیچشی توخالی توهاتا و ایشی هارا - آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها
شکل شماتیک دستگاه استوانه پیچشی توخالی توهاتا و ایشی هارا

جمع بندی

در این نوشتار سه دسته از دستگاه های معمول و متداول مطالعه المانی رفتار روانگرایی شامل دستگاه سه محوری، برش ساده و استوانه پیچشی مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به اینکه دستگاه سه محوری به لحاظ تاریخی پرکاربردترین دستگاه در این زمینه می باشد ولی داده های حاصل از این دستگاه بایستی به شکل مناسبی مورد اصلاح قرار گیرد تا بتواند به درستی معرف شرایط واقعی و برجای خاک و وقوع پدیده روانگرایی در محل باشد. اما این دستگاه برای درک روند وقوع روانگرایی بسیار مناسب و کارآمد است. دستگاه های استوانه پیچشی و برش ساده به دلیل اعمال مستقیم تنش برشی می توانند داده های با کیفیت و تا حدود زیادی نزدیک به واقعیت را در مورد رفتار روانگرایی ارائه دهند. اگرچه هر کدام از این دستگاه ها مزایا و معایب خاص خود را دارند ولی می توانند از طریق انجام آزمایش های باکیفیت و استفاده از تجهیزات با دقت بالا زمینه ساز تحقیقات گسترده ای در زمینه رفتار روانگرایی باشند. دستگاه استوانه پیچشی توخالی علی رغم مشکلاتی از جمله زیاد بودن نسبت سطح به حجم نمونه، عدم یکنواختی در مقطع و ارتفاع، عدم امکان بارگذاری دو جهته و اعمال شرایطk0  ، به دلیل سایر ویژگی های خاص خود یک دستگاه بسیار مهم و با ارزش محسوب می شود. این دستگاه به خوبی شرایط برجای خاک را مدل می کند. همچنین قابلیت های منحصر به فردی در زمینه تحقیق بر روی مسیر تنش های خاص و کرنش های باقیمانده بسیار بزرگ در حین روانگرایی دارد. همان طور که در این نوشتار توضیح داده شد، دستگاه برش ساده نیز دارای ویژگی هایی از جمله ایجاد شرایط k0  و قابلیت اعمال روانگرایی در یک صفحه را فراهم می آورد. ضمن اینکه کوچک بودن ابعاد نمونه باعث ایجاد یکنواختی بیشتری در آن می شود.

منابع

  • رسولی، محمدرضا، مرادی، مجید، قلندرزاده، عباس، معماری، فرزاد (1397)، “مروری بر انواع آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها”، سومین کنفرانس ملی مهندسی ژئوتکنیک ایران

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

مطالب مرتبط :

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سایر مقاله ها

مبحث دوازدهم مقررات ملی ساختمان (ایمنی و حفاظت کار در حین اجرا)

مبحث دوازدهم مقررات ملی ساختمان (ایمنی و حفاظت کار در [...]


بیشتر بخوانید

کنترل نیروی بلند کننده پی (آپلیفت) با استفاده از تحلیل دینامیکی (Dynamic Analysis of Uplift)

کنترل نیروی بلند کننده پی (بلند شدگی یا آپلیفت) با [...]


بیشتر بخوانید

نیروی بالا برنده یا آپلیفت چیست؟ (?What is Uplift)

Uplift به معنای بلند شدگی یا برکنِش می باشد. عامل های [...]


بیشتر بخوانید

واتر استاپ یا آب‌ بند چیست؟ (?What is WaterStop )

واتر استاپ یا آب بند چیست؟ (?What is WaterStop) آب [...]


بیشتر بخوانید