ایستاسازه
En Ar

خانه - آموزش - عوامل مؤثر بر ضریب فشار جانبی خاک (Effective factors on lateral earth pressure coefficient)

عوامل مؤثر بر ضریب فشار جانبی خاک (Effective factors on lateral earth pressure coefficient)

شناخت دقیق ساختار خاک و روابط حاکم بر آن باید به حدی باشد که بتوان اطلاعات دقیقی را در مورد خاک ارائه نمود. این بدان معنا می باشد که بتوان با شناخت نوع اندرکنش ساختار خاک و روابط حاکم بر آن، حالت های مختلف آن را توصیف کرد. یکی از مباحث بسیار مهم پیرامون خاک و نوع اندرکنش موجود در ساختار داخلی کلی آن، بحث تنش های موجود در خاک است. از آنجا که در همه پروژه های ژئوتکنیکی، مهندسین و متخصصین با خاک و تنش های وارد بر آن سر و کار دارند، لازم است تنش خاک را به درستی اندازه گیری کرد و یا اینکه با روابط معقولی این تنش ها تخمین زده شوند. از این رو، بحث فشار جانبی خاک، که تعیین کننده درصد تبدیل تنش های قائم به افقی می باشد، یکی از مسائل پرکاربرد و دارای اهمیت در علم ژئوتکنیک و نیز مسائل اجرایی می باشد.

تنش های افقی در خاک، یکی از مسائل پراهمیت این شاخه از علم مهندسی ژئوتکنیک می باشد؛ به طوری که به طور مستقیم با یکی از مسائل بسیار مهم پیش رو در مهندسی ژئوتکنیک، یعنی طراحی سازه های نگهبان در ارتباط است. سازه های نگهبان، سازه هایی هستند که به منظور پایداری موقت و یا دائم سازه های ژئوتکنیکی از قبیل گودبرداری ها، شیروانی ها و غیره به کار می روند. خاک پشت این سازه ها در تداخل مستقیم با سازه قرار دارد و بر روی عملکرد آنها مؤثر است. مهمترین سطح اندرکنشی تنشی بین این سازه ها و خاک، به دلیل وجود تنش های افقی خاک است، که به صورت جانبی به این سازه ها وارد می شود. این فشار جانبی را می توان با استفاده از ضرایبی که به آنها ضرایب فشار جانبی خاک می گویند، در هر حالت خاصی محاسبه کرد. در حالت کلی برای تعریف این ضریب از رابطه زیر استفاده می شود:

فرمول فشار جانبی خاک 1

بر اساس نحوه قرارگیری و حرکت خاک پشت سازه های نگهبان، توده خاک در یکی از سه حالت زیر قرار خواهد داشت:

  1. ساکن
  2. مقاوم
  3. فعال (محرک)

در ادامه با استفاده از تئوری رانکین، تعریف مختصری از سه حالت بالا ارائه شده است:

  • اگر دیوار ساکن باشد، یعنی هیچ گونه حرکتی به سمت چپ یا راست نسبت به وضعیت اولیه نداشته باشد، توده خاک در حالت تعادل استاتیکی خواهد بود. در چنین حالتی، نسبت تنش افقی به تنش قائم را فشار جانبی خاک در حالت سکون نامیده و آن را با K0 نشان می دهند.
  • چنانچه دیوار حرکتی در جهت نیروی وارد از طرف خاک پشت آن داشته باشد، فشار فعال (محرک) ایجاد می گردد. در این حالت دیوار از خاک پشتش دور شده و فشار در پشت دیوار نسبت به حالت سکون کاهش می یابد. در این حالت، زاویه سطح لغزش در خاک با افق به صورت زیر می باشد:
فرمول فشار جانبی خاک 4
  • چنانچه دیوار بر عکس حالت محرک (فعال)، به سمت توده خاکی حرکت کند، فشار مقاوم در خاک ایجاد می شود. در این حالت با نزدیک شدن دیوار به توده خاک، فشار خاک در پشت دیوار نسبت به حالت سکون افزایش می یابد و در این حالت، زاویه سطح لغزش در خاک با افق به صورت زیر می باشد:
فرمول فشار جانبی خاک 2

شایان ذکر است که همواره رابطه زیر بین ضرایب فشار جانبی خاک در سه حالت سکون، مقاوم و محرک برقرار می باشد :

فرمول فشار جانبی خاک 3
انواع فشار جانبی خاک- شرکت ایستا سازه
انواع فشار جانبی خاک

در بررسی علمی پارامترهای مختلف، آنچه که ضروری می باشد، فراهم کردن شرایط مختلف جهت ارزیابی عوامل مؤثر بر پارامتر مورد نظر است. در ادامه به بررسی عوامل مؤثر بر ضریب فشار جانبی‌خاک پرداخته خواهد شد.

عوامل مؤثر بر ضریب فشار جانبی خاک

عواملی چون:

  • نسبت تخلخل
  • درصد تراکم نسبی نمونه
  • درجه پیش تحکیمی
  • دامنه خمیری خاک
  • درصد رطوبت موجود در نمونه
  • زاویه اصطکاک داخلی خاک
  • شکل دانه ها
  • ضریب پوآسون
  • شیب خاک پشت سازه نگهبان
  • اصطکاک سطح دیوار سازه نگهبان با خاک
  • طرز ساخت نمونه در مطالعات آزمایشگاهی
  • دست خوردگی نمونه

در نگاه کلی می توانند به عنوان عوامل مؤثر بر ضریب فشار جانبی خاک معرفی گردند. با این حال، تعدادی از این عوامل به طور مستقیم بر مقدار این ضریب تأثیر می گذارند که در ادامه به بررسی آنها پرداخته خواهد شد.

نسبت تخلخل اولیه e0

یکی از عوامل بسیار مهم و مؤثر بر ضریب فشار جانبی خاک، نسبت تخلخل اولیه خاک می باشد. برناتزیک نخستین محققی می باشد که نشان داد ضریب فشار جانبی خاک متأثر از میزان تخلخل اولیه نمونه است و نتایج تحقیقات خود را به شکل زیر ارائه کرده است:

نسبت تخلخل اولیه ضریب فشار جانبی خاک
6/049/0
7/052/0
88/064/0

مطالعات چو و ژان در سال 2004، نشان می دهد که هر دو ضریب نسبت مستقیم با هم دارند. بدین معنی که با افزایش نسبت تخلخل، ضریب فشار جانبی خاک افزایش می یابد.

بررسی اثر نسبت تخلخل اولیه نمونه بر ضریب فشار جانبی خاک

دامنه خمیری PI

دامنه خمیری اهمیت بالایی در تعیین رفتار مکانیکی خاک های ریزدانه دارد. بنابراین ارزیابی اثر آن بر مقدار ضریب فشار جانبی خاک، فقط بر روی خاک های ریزدانه انجام گرفته است. بر اساس نتایج تحقیق انجام شده توسط بروکر و آیلند در سال 1965، با افزایش دامنه خمیری خاک (در خاک های عادی تحکیم یافته)، ضریب فشار جانبی خاک افزایش می یابد.

بررسی اثر دامنه خمیری بر ضریب فشار جانبی‌خاک
بررسی اثر دامنه خمیری بر ضریب فشار جانبی‌خاک

همان طور که مورد تأکید قرار گرفته است، نتایج نمایش داده شده در شکل بالا برای خاک های عادی تحکیم یافته است و روند این اثر افزایشی در خاک های پیش تحکیم یافته متفاوت است. این موضوع در همان تحقیق فوق الذکر برای خاک هایی با OCR مختلف ارزیابی شده است و نتایج در شکل زیر قابل مشاهده می باشد. طبق این شکل، در خاک هایی با OCR بالا (از حدود 16 و بالاتر از آن) روند افزایشی در ابتدا با سرعت زیاد رخ می دهد، اما بعد از یک مقدار بیشینه (که در PI حدود 26 رخ می دهد)، روند نزولی در مقدار ضریب فشار جانبی خاک مشاهده شده است.

بررسی اثر همزمان پیش تحکیمی و دامنه خمیری بر ضریب فشار جانبی خاک- شرکت ایستاسازه
بررسی اثر همزمان پیش تحکیمی و دامنه خمیری بر ضریب فشار جانبی خاک- شرکت ایستاسازه

اثر درصد رطوبت نمونه

طی تحقیقات انجام گرفته توسط چی این در سال 1958، ضریب فشار جانبی خاک به طور قابل ملاحظه ای تحت تأثیر میزان آب موجود در خاک می باشد. نتایج تحقیقات وی در شکل زیر نمایش داده شده است. بر این اساس، نمونه هایی که مقدار آب موجود در بافت آنها بیشتر است و یا به عبارت دیگر، اشباع تر می باشند، ضریب فشار جانبی خاک بیشتری دارد. البته در مطالعات چی‌این، این مطلب قابل توجه می باشد که اثر افزایشی در حدود درصد اشباع صفر تا 34 نمود به مراتب بیشتری دارد، به شکلی که نمودار تغییرات ضریب فشار جانبی خاک برحسب درجه اشباع در محدوده درصد اشباع بالای 36، تغییرات ناچیزی از خود نشان می دهد.

بررسی اثر درصد آب موجود در نمونه (درصد رطوبت) بر ضریب فشار جانبی خاک - شرکت عمرانی مهندسی ایستاسازه
بررسی اثر درصد آب موجود در نمونه (درصد رطوبت) بر ضریب فشار جانبی خاک – شرکت عمرانی مهندسی ایستاسازه

اثر درجه پیش تحکیمی OCR

از نتایج تحقیقات نورتث کات و ویجی کریم در سال 2013 مشخص شده است که هرچه میزان OCR خاک بیشتر باشد، ضریب فشار جانبی خاک نیز بیشتر است. همچنین همان طور که در شکل زیر دیده می شود، در نمونه هایی که درصد تراکم نسبی یکسانی دارند، آن هایی که OCR بیشتری دارند، نتایج آنها در قسمت بالایی نمودار قرار گرفته و این بدان معنی است که ضریب فشار جانبی خاک بیشتری دارند.

بررسی اثر همزمان درصد تراکم نسبی و درجه پیش تحکیمی بر ضریب فشار جانبی خاک- ایستاسازه
بررسی اثر همزمان درصد تراکم نسبی و درجه پیش تحکیمی بر ضریب فشار جانبی خاک- ایستاسازه

مطالعات دیگری در همین زمینه توسط بروکر و آیلند در سال 1965 صورت گرفته و نتایج آن در شکل زیر نمایش داده شده است. مشابه نتایج مطالعه قبلی، نتایج این مطالعه نیز نشان داده است که افزایش درجه پیش تحکیمی موجب افزایش ضریب فشار جانبی خاک می شود. این مطالعه بر روی خاک های ریزدانه صورت گرفته است.

بررسی اثر درجه پیش تحکیمی بر ضریب فشار‌جانبی خاک
بررسی اثر درجه پیش تحکیمی بر ضریب فشار‌جانبی خاک

اثر شیب خاک پشت دیوار

بر اساس مطالعاتی که کرچ در سال 2003 بر اساس داده ها و بررسی های دستورالعمل آیین نامه کشور دانمارک موسوم به Danish Code انجام داده است و نهایتاً مقایسه آنها با رابطه اولیه جکی، به این نتیجه رسیده است که شیب توده خاک پشت سازه حائل نیز بر مقدار ضریب فشار جانبی خاک اثر می گذارد و رابطه زیر را پیشنهاد کرده است (زاویه شیب خاک پشت دیوار).

فرمول فشار جانبی خاک 5
بررسی اثر شیب خاک پشت دیوار بر ضریب فشار جانبی‌خاک- شرکت ایستاسازه
بررسی اثر شیب خاک پشت دیوار بر ضریب فشار جانبی‌خاک- شرکت ایستاسازه

اثر تراکم نسبی Dr

نورتث کات و ویجی کریم در سال 2013 مطالعاتی در زمینه اثر تراکم نسبی بر ضریب فشار جانبی انجام داده اند و به این نتیجه رسیده اند که با افزایش تراکم نسبی و سفت تر شدن توده خاک، مقدار این ضریب کاهش می یابد. با در نظر گرفتن مطلبی که مورد بررسی اثر نسبت تخلخل اولیه نمونه بر ضریب فشار جانبی خاک مطرح شده است، این نوع رفتار تا حدودی قابل پیش بینی بوده است.

بررسی اثر میزان تراکم نسبی نمونه بر ضریب فشار جانبی‌خاک
بررسی اثر میزان تراکم نسبی نمونه بر ضریب فشار جانبی‌خاک

اثر زاویه اصطکاک داخلی خاک

با در نظر گرفتن فرمول جکی، می توان یافت که با افزایش زاویه اصطکاک داخلی خاک، ضریب فشار جانبی خاک کاهش پیدا خواهد کرد. یعنی در حالت کلی می توان این نتیجه را گرفت که این ضریب در خاک های ریزدانه باید مقادیر بیشتری به نسبت خاک های دانه ای داشته باشد. البته در خاک های رسی اثر مقدار OCR نیز باید در نظر گرفته شود. در مطالعات بروکر و آیلند در سال 1965، اثر این دو پارامتر بر ضریب فشار جانبی خاک همزمان بررسی شده است. در مقادیر OCR بالا (حدود 16) تا حدود زاویه اصطکاک داخلی خاک برابر با 25 درجه، ابتدا روند افزایشی در ضریب فشار جانبی خاک مشاهده شده است و پس از آن مانند شرایط عادی تحکیم یافته، روند نزولی مشاهده گردیده است.

بررسی اثر زاویه اصطکاک داخلی خاک بر ضریب فشار جانبی‌خاک - شرکت مهندسی ایستاسازه
بررسی اثر زاویه اصطکاک داخلی خاک بر ضریب فشار جانبی‌خاک – شرکت مهندسی ایستاسازه

بررسی اثر همزمان زاویه اصطکاک داخلی خاک و درجه پیش تحکیمی بر ضریب فشار جانبی‌خاک
بررسی اثر همزمان زاویه اصطکاک داخلی خاک و درجه پیش تحکیمی بر ضریب فشار جانبی‌خاک

جمع بندی

ضریب فشار جانبی خاک از پارامترهای بسیار مهم و کاربردی در مهندسی ژئوتکنیک می باشد که در اکثر پروژه های عمرانی از قبیل پایدارسازی دیواره های گود و شیروانی ها، طراحی سازه های زیر زمینی از قبیل تونل های شهری، مترو و … به کار می رود. با توجه به اهمیت این ضریب، یافتن عوامل مؤثر بر آن و بررسی اثرات آنها ضروری به نظر می رسد. عواملی همچون نسبت تخلخل اولیه نمونه، میزان تراکم نسبی نمونه، درجه پیش تحکیمی، دامنه خمیری خاک، درصد رطوبت موجود در نمونه، زاویه اصطکاک داخلی خاک، شیب خاک پشت سازه نگهبان، شکل دانه ها، ضریب پوآسون، اصطکاک سطح دیوار سازه نگهبان با خاک، طرز ساخت نمونه در مطالعات آزمایشگاهی و در آخر دست خوردگی نمونه در نگاه کلی می توانند به عنوان عوامل موثر اصلی بر این ضریب معرفی شوند. با این حال تعدادی از این عوامل به طور مستقیم بر مقدار این ضریب تأثیر می گذارند. از بین این عوامل، هفت عامل نخست به عنوان  اصلی ترین عوامل مؤثر بر این ضریب در این نوشتار مورد ارزیابی قرار گرفته و نتایج آن به تفضیل بیان گردید. با توجه به اهمیت بعضی پارامترها بر اساس نوع دانه بندی (مانند دامنه خمیری و درجه پیش تحکیمی که در خاک های ریزدانه بیشتر حائز اهمیت هستند و تأثیرگذاری بیشتری دارند)، اثر این پارامترها صرفاً در آن نوع خاک، بررسی و گزارش شده اند.


در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه پایدارسازی گود 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

آزمایش بارگذاری دینامیکی شمع با چکش (PDA: Pile Driving Analyzer)

آزمایش بارگذاری دینامیکی شمع با چکش (PDA: Pile Driving Analyzer) [...]


بیشتر بخوانید

عوامل مؤثر بر ضریب فشار جانبی خاک (Effective factors on lateral earth pressure coefficient)

عوامل مؤثر بر ضریب فشار جانبی خاک (Effective factors on [...]


بیشتر بخوانید

بتن ریزی در سرما و استفاده از ضد یخ بتن (concrete antifreeze)

بتن ریزی در سرما و استفاده از ضد یخ بتن [...]


بیشتر بخوانید

فشار جانبی خاک چیست؟ (Lateral earth pressure)

فشار جانبی خاک (Lateral earth pressure) سازه های حائل خاک [...]


بیشتر بخوانید