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

عوامل مؤثر بر ضریب فشار جانبی خاک

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:

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:

• 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:

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

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
6/0	49/0
7/0	52/0
88/0	64/0

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

اثر تراکم نسبی D_r

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.

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.

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 :

• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
• ژئوفیزیک (Geophysics)
• زمین شناسی (Geology)
• تجهیزات حفاری جهت مطالعات خاک (Drilling equipment for soil studies)
• عوامل مؤثر بر ضریب فشار جانبی خاک (Effective factors on lateral earth pressure coefficient)

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)
• 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)
• روش انجماد خاک چیست؟(Ground Freezing)

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

• روش اجزای محدود چیست؟ (Finite Element Method) (FEM)
• اندرکنش خاک و سازه چیست؟ (Soil Structure Interaction) (SSI)
• 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 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

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)
• مدل کسب و کار (B2B) یا بی تو بی (Business-to-Business)
• انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
• مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
• آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
• سازه فلزی و سازه بتنی (Steel and concrete structures)
• طراحی سازه بر اساس عملکرد (Performance Based Seismic Design, PBSD)
• تغییرمکان جانبی نسبی طبقات چیست؟ (Drift)
• طیف پاسخ و طیف طرح چیست؟ (Spectrum Response)
• انواع سیستم سقف (Types of roof systems)

مطالب مرتبط :

• دانلود مقررات ملی ساختمان
• استاندارد ۲۸۰۰
• مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان (ژئوتکنیک و مهندسی پی)
• مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان (گودبرداری و پایش)
• مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان (سازه های نگهبان)
• مبحث بیست و دوم مقررات ملی ساختمان (مراقبت و نگهداری از ساختمان ها)