خانه - مطالب آموزشی - میکرو مکانیک خاک (Soil micro-mechanics)

مدل‌ های عددی بسته به دیدگاه حل مسئله به دو دسته مکانیک ذرات و مکانیک محیط پیوسته تقسیم بندی می‌شوند. در نظریه محیط پیوسته خواص مواد بر اساس مشاهدات ظاهری بیان گردیده و از نقش ذرات تشکیل‌ دهنده مواد صرف نظر می شود. به عبارتی در این رویکرد خاک به صورت مصالح یکپارچه عمل کرده و جابجایی و چرخش ذرات در آن در نظر گرفته نمی‌شود. در حالی‌که حرکت و اندرکنش ذرات خاک دانه ای و تأثیر آن بر رفتار مجموعه ذرات در میکرو مکانیک خاک مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

از سه دهه اخیر تلاش های زیادی در زمینه مکانیک ذرات برای این منظور انجام شده است تا با استفاده از روابط ریاضی بین رفتار میکرو مکانیک و ماکرو مکانیک ذرات خاک ارتباط برقرار کرده و رفتار ماکرو را در نتیجه رفتار میکرو بین ذرات خاک نشان دهند. بخش های مهم رفتار میکرو مکانیک بررسی مشخصات هندسی بین دانه ها، متوسط عدد تماسی، توزیع نرمال تماسی و توزیع نیروهای نرمال و برشی تماس و ضرایب ناهمسانی مربوط به هر یک بوده و مهم ترین بخش های رفتار ماکرو مکانیک خاک به طور خاص برای آزمایش دو محوری (سه محوری در فضای دو بعدی) منحنی های تنش انحرافی- کرنش محوری، مسیر تنش، کرنش حجمی – کرنش محوری و فشار منفذی قابل ذکر هستند.

محققین بسیاری در زمینه مکانیک ذرات خاک به مطالعه عوامل مؤثر بر نحوه توزیع تماس بین ذرات دانه ای پرداخته اند به طوری که در یک محیط دانه ای تماس ذرات و انتقال نیروی بین آن‌ها وابسته به عواملی مانند جابه‌جایی ذرات، شکل ذرات و خصوصیات سطح اصطکاکی بین آن‌هاست. از خصوصیات ماکروسکوپی و میکروسکوپی مصالح به‌ عنوان ساخت و بافت یاد می‌شود. برای مرتبط کردن خصوصیات میکرو مکانیکی یک مجموعه دانه ای به خواص ماکروسکوپی آن از تعریف بافت استفاده می شود. در حقیقت بافت به صورت شکل، اندازه، نحوه آرایش و انتقال نیروی بین دانه ها تعریف شده و رابطه بین کرنش و تغییر مکان و همین‌طور رابطه بین تنش و نیرو را بیان می کند.

تعاریف پایه در میکرو مکانیک خاک

الف- متوسط عدد همبستگی تماسی: به تعداد تماس‌های فیزیکی که یک ذره با ذرات مجاور خود دارد، عدد همبستگی گفته شده و متوسط عدد همبستگی که با 𝛾 نشان داده می شود در حقیقت نسبت تعداد کل تماس های موجود به تعداد کل ذرات محیط است. این عدد، شاخصی برای تراکم مجموعه بوده که مقادیر بزرگ‌تر آن نظیر نمونه متراکم‌تر خواهد بود.

ب- چگالی تماسی: به شکل نسبت تعداد کل تماس‌های موجود به حجم کل مجموعه ذرات تعریف شده و با  m_v نمایش داده می شود.

در رابطه فوق n_v بیانگر تعداد کل ذرات در واحد حجم نمونه است.

شایان ذکر است که چگالی تماس برای توصیف وضعیت نمونه محدودیت داشته چرا که هیچ اطلاعاتی در خصوص جهت تماس‌های بین‌ ذره ای در اختیار نمی گذارد.

ج- بردار یکه تماسی نرمال و برشی: بردار یکه نرمال در راستای عمود بر سطح تماس دو ذره و بردار یکه برشی تماسی در راستای سطح تماس بین دو ذره و در راستای پاد ساعتگرد بردار یکه نرمال با جهت مثبت در نظر گرفته می شود.

د– بردار شاخه: بردار متصل کننده مراکز دو ذره در تماس است. صرفاً برای ذرات دایره ای یا کروی شکل بردار نرمال تماسی و بردار شاخه بر یکدیگر منطبق می شوند و در حالت کلی بر هم منطبق نیستند.

به طور کلی این کمیت میکروسکوپیک منعکس کننده توزیع اندازه ذرات بوده و وابسته به ساز و کار انتقال بار، توزیع فاصله بین مراکز آن‌ها و نقطه تماس انتقال بار است.

توابع توزیع پارامترهای میکرو مکانیک خاک

اگر یک محیط دانه ای در حال تعادل را تحت یک بارگذاری دلخواه مانند تنش همه جانبه قرار دهیم جا به جایی و دوران دانه ها به‌گونه ای خواهد بود که توانایی تحمل نیروهای وارد بر ذرات مرزی را داشته باشد و نمونه با متراکم شدن به تنش همه جانبه مورد نظر خواهد رسید و چنین روندی برای هر مجموعه دانه ای تحت بارگذاری دلخواه طی خواهد شد.

حال می توان در دستگاه مختصات قطبی، محیط 360 درجه را به چند بازه زاویه ای مساوی تقسیم کرده و بسته به جهت گیری و قرارگیری هر کمیت در این بازه های زاویه ای، آن کمیت را طبقه بندی کرده و با ترسیم نمودار میله ای آن در فضای قطبی به ناهمسانی کمیت مورد نظر در مجموعه ذرات دانه ای پرداخت. چنین منحنی هیستوگرام قطبی نامیده می شود. حال اگر کمیت فوق در مجموعه همسان باشد شکل هیستوگرام نزدیک به دایره خواهد شد و توسط یک سری ضرایب ناهمسانی می توان روابطی را برای هر مشخصه میکرو مکانیکی تعریف کرد.

توابع توزیع تماسی نرمال

در یک مجموعه دانه ای، ذرات در راستاهای مختلفی در تماس با یکدیگر قرار می گیرند که با ترسیم یک خط با زاویه دلخواه  θ تعدادی از بردارهای تماس با این خط برخورد خواهد داشت که تعداد این برخوردها توسط تابع Eθ بیان می شود به بیان دیگر تابع توزیع راستای تماس E (θ) در یک محیط دانه ای تعداد تماس‌هایی است که در بازه زاویه (θ – dθ/2, θ + dθ/2) برای افزایش زاویه dθ قرار بگیرند. می توان تابع توزیع راستای تماس را با استفاده از بسط فوریه گسترش داده و با رسم هیستوگرام راستای تماس به بررسی چینش ذرات در بازه های زاویه ای مختلف پرداخت.

در رابطه فوق b و a ثابت های درجه دوم و چهارم بسط فوریه تابع توزیع راستای تماس هستند که به‌عنوان ضرایب ناهمسانی راستای تماس شناخته می شوند و نمونه ای از تغییرات آن‌ها در شکل زیر مشاهده شده است. اگر  از ضریب مرتبه چهارم این رابطه (ضریب b ) صرف نظر شود این رابطه به شکل رابطه زیر خواهد شد که در آن θ_a معرف جهت اصلی ناهمسانی راستای تماس بوده و بر اساس این رابطه تعداد تماس‌هایی که راستای θ_a قرار بگیرند متناسب با α + 1 و تعداد تماس‌های عمود بر این راستا با α – 1 متناسب خواهد بود. به عبارت دیگر ضریب α  با اختلاف تماس‌های جهت اصلی ناهمسانی و جهت عمود بر آن متناسب خواهد بود و همان‌طور که قبلاً ذکر شد برای یک مجموعه همسان ضریب صفر شده و هیستوگرام آن به شکل دایره خواهد شد.

توابع توزیع نیروهای تماسی

 میانگین نیروهای تماسی ذرات در جهت θ از دو مؤلفه نیروهای عمود بر صفحه تماس f̅_n (θ) و نیروهای مماس بر صفحه تماس f̅_t (θ) تشکیل می شود.

بنابراین میانگین  تنسور تنش دوبعدی به شکل رابطه زیر به دست می آید که این رابطه به نوعی ارتباط دهنده تنش ماکروسکوپی با پارامتر های فابریک است.

توابع توزیع نیروهای تماسی نرمال و برشی با استفاده از بسط فوریه درجه دوم به ترتیب توسط روابط زیر بیان می شوند که بیانگر نیروهای تماسی نرمال و برشی هستند که بردار تماس آن‌ها در راستای θ قرار بگیرد.

که f̅₀ میانگین کلیه نیروهای تماسی موجود در کل مجموعه ذرات بوده و برای مجموعه ذرات ناهمسان که تعداد تماس‌ها در جهت‌های مختلف متفاوت است f̅₀ از یک میانگین‌گیری از نیروهای نرمال تماسی با اعمال وزن یکسان به تمام زوایا  محاسبه می‌شود. f̅₀ در رابطه مربوط به نیروی برشی تماس در نقش یک ضریب مقیاس عمل می کند. a_n و a_t ضرایب ناهمسانی نیروهای تماسی نرمال و برشی هستند که این ضرایب با اختلاف میانگین نیروهای تماسی نرمال و برشی قرارگرفته در جهت ناهمسانی و جهت عمود بر آن، متناسب هستند ضریب a_t مشخص‌کننده اندازه ناهمسانی جهت‌های برشی تماس بوده و همچنین θ_n و θ_t معرف جهات اصلی ناهمسانی نیروهای تماسی نرمال و برشی هستند. θ_t  معرف جهتی است که نیروهای میانگین برشی تماس صفر هستند θ_n جهت حداکثر میانگین نیروی نرمال تماسی است.

شایان‌ذکر است که E (θ) بیانگر نحوه آرایش هندسی ذرات نسبت به هم است و به تاریخچه تنش مربوط می شود درحالی‌که f̅_n (θ) و f̅_t (θ)  بیانگر نیروهای به وجود آمده در راستاهای مختلف است که به تغییرات E (θ) یعنی تاریخچه تنش و همچنین بارگذاری اعمالی وابسته خواهد بود. به عنوان توضیح بیشتر باید گفت که f̅_n (θ) نشانگر نحوه توزیع انتقال نیروها در یک توده دانه ای است به گونه ای که f̅_n (θ) و E (θ) به یکدیگر وابستگی دارند. برای مثال در آزمایش دو محوری اگر شرایط قبل از بارگذاری همسان باشد جهت ناهمسانی راستای تماس و نیروهای تماسی نرمال، بسیار نزدیک به یکدیگر می شود اما در شرایط اولیه ناهمسان ممکن است شاهد این نزدیکی نباشیم. روند کلی در یک مجموعه دانه ای تحت بارگذاری این است که با جابه جایی ذرات نسبت به یکدیگر  شاهد بسیج سریع نیروهای برشی تماس و افزایش ضریب ناهمسانی مربوطه در کرنش‌های کوچک هستیم.

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
• ژئوفیزیک (Geophysics)
• زمین شناسی (Geology)
• آزمایش سه محوری خاک (Triaxial Compression Test)
• انواع آزمایش های المانی بررسی رفتار روانگرایی خاک ها Different Types of Element Test for Soil) Liquefaction Assessment)
• روانگرایی خاک (Soil Liquefaction)
• روش های مقابله با روانگرایی خاک (Soil Liquefaction Mitigation)
• تحقیقات محلی در پروژه های ژئوتکنیک دریایی (Offshore geotechnical Site Investigation)
• آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test)
• آزمايش بارگذاری صفحه ای (Plate Loading Test or Plate Bearing Test)
• آزمایش برش مستقیم برجا In Situ Direct Shear) Test)
• معایب و خطاهای آزمایش برش مستقیم Disadvantages of) Direct Shear Test)
• پدیده فروچاله چیست؟ (?What is The Phenomenon of Sinkhole)
• نشست غیر یکنواخت (Differential Settlement)
• خاک ‌های رمبنده (Collapsible Soil)
• آزمایش تحلیل چند کاناله امواج سطحی یا MASW چیست؟ (Multichannel Analysis of Surface Waves)
• آزمایش دیلاتومتری (DMT: Dilatometer Test)
• مدل سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک (Physical Modeling in Geotechnical Engineering)
• مبانی، تاریخچه و نظریه مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی
• دستورالعمل تعیین مقاومت برشی مستقیم بر جای توده سنگ (hear strength of rock)
• تعیین مدول تغییر شکل پذیری سنگ با استفاده از آزمایش دیلاتومتری
• دستورالعمل آزمایش تعیین سختی واجهشی سنگ به وسیله چکش اشمیت
• میکرو مکانیک خاک (Soil micro-mechanics)

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :

• تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
• ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)
• پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)
• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)
• تراکم دینامیکی یا DC چیست؟ (Dynamic Compaction)
• ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)
• شمع ساختمان ، طراحی و اجرای شمع بتنی و شمع فلزی (Concrete Pile , Steel Pile)
• مدل سازی عددی تراکم دینامیکی (Numerical Modeling of Dynamic Compaction)
• بررسی دو روش تراکم دینامیکی و اختلاط عمیق در بهسازی بستر سواحل (DSM & DC)
• مقایسه دو روش تزریق با فشار بالا و اختلاط عمیق در بهسازی خاک (Jet Grouting & DSM)
• بررسی موردی عملکرد ستون های جت گروتینک در بهسازی بستر پی گسترده
• بهسازی خاک به روش میکروپایل یا ریز شمع (Micropile & Underpinning)
• بررسی عملکرد ستون های شنی در بهسازی خاک
• اختلاط عمیق خاک (Deep Soil Mixing)
• در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
• نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
• انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
• مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
• سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
• خاک مسلح یا ژئوسنتتیک چیست؟ (Geosynthetict)
• سپرکوبی چیست؟ (Sheet Pile)
• دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی چیست؟ (Diaphragm walls – Slurry walls)
• دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل چیست؟ (Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)
• زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
• نقشه برداری یا مهندسی نقشه برداری چیست؟ (Surveying)
• پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)
• دستورالعمل بهداشت، ایمنی و محیط زیست چیست؟ (HSE)
• آموزش گام به گام نقشه خوانی انواع روش های پایدارسازی و گودبرداری
• ژئوتکستایل چیست؟ (?What is a Geotextile)
• ژئوممبران چیست؟ (?what is geomembrane)
• ژئوفوم چیست؟ (What is Geofoam)
• فوم بتن چیست؟ (What is Foam Concrete)
• جی سی ال چیست؟ (?what is GCL)
• استفاده از اعضای مارپیچ در فعالیت های ژئوتکنیکی (Helical Nails & Anchors)

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

• معرفی نرم افزار Plaxis
• معرفی نرم افزار GEOSLOPE
• معرفی نرم افزار AutoCAD
• معرفی نرم‌ افزار ETABS
• معرفی نرم افزار SAP2000
• معرفی نرم افزار SAFE
• معرفی نرم افزار ABAQUS
• معرفی نرم افزار FLAC
• معرفی نرم افزار MIDAS

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

• مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
• خاکبرداری چیست؟ (Excavation)
• رمپ و جمع آوری رمپ در گودبرداری (Ramp removal excavation)
• گودبرداری و خاکبرداری دو عملیات متمایز از یکدیگر
• گودبرداری غیر اصولی (Unprincipled Building Excavation)
• گودبرداری چیست؟ و اصول اجرای گودبرداری های ساختمانی (Excavation)

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
• قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
• نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
• مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
• مدیریت پیمان (Management Contracting)
• مدیریت طرح (Construction Management)
• انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
• مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
• آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
• مطالب مرتبط :
• sciencedirect , Micro Mechanics of Elastic Soil