مشخصه های دینامیکی در خاک ها و مسائل ژئوتکنیکی (Dynamic characteristics of soil)

تنوع در مسائل ژئوتکنیکی که در آنها مشخصه ها و رفتار دینامیکی خاک ها تاثیرگذار باشد روز به روز در حال افزایش است. البته به دلیل تنوع در ساختگاه و پیچیدگی شرایطی که تحت بارهای دینامیکی قرار می گیرند، ایجاد یک سلسله مراتب منظم و قرار دادن همه مسائل در یک دسته بندی کار دشوار و شاید نشدنی است. به همین دلیل با توجه به نوع مسئله معمولاً آنها را به دو گروه دینامیکی و استاتیکی تقسیم بندی می کنند. به همین دلیل شناخت مشخصه های دینامیکی خاک، تغییر شکل ها و خواص خاک برای دانشجویان ژئوتکنیک امری ضروری تلقی می شود.

محدوده کرنش

اولین مشخصه دینامیکی خاک ها، کرنش است. در محدوده مکانیک خاک مرسوم (کلاسیک)، مهم ترین موضوعی که در رابطه با مسائل استاتیکی مورد توجه است موضوع مقاومت برشی خاک ها و ایمنی پی ها و دیگر سازه های خاکی در برابر گسیختگی است. نشست زمین و سازه ها در شرایط مختلف به ویژه تحکیم از دیگر مباحثی است که همواره در مرکز توجه قرار می گیرد. با در نظر گرفتن این دو موضوع می توان تشخیص داد که در مکانیک خاک مرسوم تمرکز بر روی رفتار خاک هایی است که در معرض تغییر شکل های قابل ملاحظه ای قرار دارند. با بررسی تغیر شکل در پروژه های مختلف ژئوتکنیکی می توان گفت که به طور کلی گسیختگی خاک ها در کرنش های چند درصدی رخ می دهد و میزان نشست هایی که خطر آفرین و نگران کننده است ناشی از تنش یا تحکیم در حدود ^3-10 یا بیشتر می باشند. بنابراین می توان گفت که در مکانیک خاک مرسوم، پدیده هایی که در آنها خاک در معرض کرنش های کمتر از این مقدار قرار دارند زیاد نگران کننده نخواهد بود.

در طرف مقابل، بررسی خاک ها در حال حرکت، از مواردی است که دیگر با معیارهای استاتیکی نمی توان به طور کامل و مناسب بررسی نمود چرا که در این شرایط نیروی اینرسی نیز در کنار سایر عوامل دیگر به مقدار قابل توجهی اثرگذار خواهد بود. مطالعه این بخش بر عهده دینامیک خاک است. به عنوان مثال در حرکت سینوسی که در آن چرخه ها به صورت رفت و برگشتی تغییر شکل می دهند، نیروی اینرسی به نسبت توان دوم بسامد (فرکانس) افزایش می یابد. در نتیجه حتی در صورت بسیار کوچک بودن محدوده کرنش، نیروی اینرسی می تواند سرعت حرکت را به حدی افزایش دهد که دیگر نتوان از تاثیر آن در مسائل گذشت و نادیده گرفت. این امر سبب شده است تا رفتار خاک ها در محدوده های بسیار کوچک مثلا ^6- 10 مورد توجه و بررسی قرار گیرد.

تفاوت های شرایط بارگذاری دینامیکی و استاتیکی

از مهم ترین عوامل تاثیرگذار در رفتار مکانیکی خاک ها می توان به تنش محصور کننده، درصد رطوبت و درصد تخلخل اشاره نمود البته عوامل دیگری نظیر محدوده کرنش، تاریخچه تنش و دما نیز نقش قابل توجهی در پاسخ خاک ها چه در شرایط استاتیکی و چه در شرایط دینامیکی بازی می کنند. به همین دلیل این عوامل چون در هر دو دسته دینامیکی و استاتیکی تقریباً به یک اندازه اهمیت دارند نمی توان از آنها به عنوان عناصر مشخص کننده وجه تمایز بین شرایط دینامیکی و استاتیکی استفاده کرد.

خصوصیات متمایز دینامیکی حاصل از ضربه (Impulse)، لرزش (Vibration) و موج (Wave) در ادامه توضیح داده می شود.

• سرعت بارگذاری:

به جرئت می توان گفت که سرعت بارگذاری یکی از عوامل تعیین کننده در پدیده های دینامیکی و از جمله مشخصه های دینامیکی خاک است. به طور کلی در خاک ها مدت زمانی که طی می شود تا خاک به سطح مشخصی از تنش یا کرنش برسد تحت عنوان زمان بارگذاری شناخته می شود. هر چه این زمان کمتر باشد گفته می شود که بارگذاری با سرعت بیشتری انجام شده است. در شکل زیر می توان مشاهده نمود که پدیده های مهم بر اساس زمان بارگذاری طبقه بندی شده است. در مورد لرزش و انتشار امواج رویدادهایی با دوره زمانی (پریود) کوتاه تر یا بسامد بالاتر به پدیده های با زمان بارگذاری کوتاه تر تلقی شده و بالعکس مسائلی با پریود طولانی تر به عنوان پدیده هایی با سرعت بارگذاری بالا در نظر گرفته می شوند. در ادامه زمان بارگذاری به طور تقریبی یک چهارم پریودی که در آن بار مجدداً تکرار می شود تعریف خواهد شد. به طورکلی مسائلی که در آنها زمان اعمال بار بیش از ده ثانیه طول بکشد در مجموعه مسائل استاتیکی و اگر کمتر از ده ثانیه طول بکشد در مجموعه مسائل دینامیکی دسته بندی می شود. مخاطبین ممکن است اثر سرعت بارگذاری را در منابع دیگر با عناوین دیگر تحت عنوان نرخ کرنش و سرعت تغییر کرنش نیز مشاهده نمایند.

• اثر چرخه بارگذاری:

با توجه به این که در پدیده های دینامیکی غالباً پدیده تکرار بار با بسامدهای مختلف وجود دارد، می توان از عامل تکرار بارگذاری به عنوان یکی دیگر از عوامل متمایز کننده مسائل استاتیکی و دینامیکی و مشخصه های دینامیکی خاک نام برد. در شکل بالا برخی از پدیده های شناخته شده بر اساس این عامل طبقه بندی شده است.

در مسائل مرتبط با اعمال سریع تک ضربه مانند انفجار، مدت اعمال بار بسیار کوتاه در حدود ^3- 10 الی ^2- 10 ثانیه می باشد و این دسته از بارگذاری ها در زمره بار های دینامیکی تحت عنوان بار ضربه ای یا شوک بررسی می شوند. لرزش اصلی زلزله ها شامل 10 تا 20 چرخه بارگذاری با دامنه های مختلف است. همانگونه که در شکل بالا نشان داده شده است، در خلال بارگذاری نامنظم ناشی از زلزله ها، پریود هر ضربه بین 0.1 تا 3 ثانیه و زمان بارگذاری آن بین 0.02 الی 1 ثانیه است.

بررسی مطالعات موردی مختلف نشان داده است که در شمع های کوبشی، تراکم ارتعاشی و عملیات ویبره توسط غلتک ها، بسامدی بین 10 الی 60 هرتز را 100 الی 1000 بار به خاک وارد می کند. در مورد پی ماشین آلات که ژنراتورهای الکتریکی بر روی آن نصب می شود باید گفت که بسامد لرزش های اعمالی تقریباً مشابه است اما تعداد چرخه های بارگذاری به مراتب بیشتر است.

وابستگی خصوصیات تغییر شکل با کرنش های برشی در خاک

ویژگی های تغییر شکل خاک ها بسته به دامنه کرنش های برشی که خاک در معرض آنها قرار دارد تا مقدار قابل توجهی متفاوت است. تغییرات کلی رفتار خاک با تغییر کرنش برشی در شکل زیر نشان داده شده است.

در شکل بالا محدوده های تقریبی کرنش برشی که حالت های الاستیک، الاستوپلاستیک و گسیختگی ناشی از تنش در خاک را ایجاد می کند، به تصویر کشیده شده است. البته ذکر این نکته ضروری است که در کرنش های کمتر از ^5- 10 رفتار خاک الاستیک و برگشت پذیر هستند.

اتساع در خاک ها یکی دیگر از ویژگی های تاثیر گذار در رفتار دینامیکی خاک است که باید به آن اشاره شود. اتساع ناشی از تکرار بار در محدوده کرنش های بی نهایت کوچک رخ نمی دهد. بنابراین می توان گفت مطابق با شکل بالا در مورد اتساع نیز در محدوده کرنش ^4- 10 الی ^3- 10، اثر تکرار بارگذاری شروع به آشکار شدن می کند. باید به این نکته نیز توجه شود که تغییرات پیش رونده در خواص خاک در هنگام تکرار بار مانند کاهش سختی خاک ها در حالت اشباع یا سخت شدگی خاک ها در حالت خشک یا نیمه اشباع نیز می تواند به عنوان یکی از پیامدهای اتساع رخ دهد.

در آزمون های آزمایشگاهی مشاهده شده است که با افزایش سرعت بارگذاری مقاومت خاک ها افزایش می یابد. البته وقتی که کرنش برشی خیلی کوچک باشد تاثیر سرعت بارگذاری قابل اغماض است. مطابق با شکل بالا کرنش برشی آستانه (the threshold shear strain) در حدود ^3- 10 قرار دارد. منظور از کرنش آستانه، جایی است که اثر نرخ ممکن است اتفاق بیفتد یا نیفتد.

با توجه به محدوده کرنش از آزمون های آزمایشگاهی و برجای مختلفی برای تعیین خواص خاک ها استفاده می شود. در اندازه گیری های در محل، به علت محدودیت ناشی از ذخیره انرژی، ایجاد کرنش های بزرگتر از ^5- 10 با استفاده از روش های لرزه نگاری بسیار مشکل است. بنابراین این روش برای به دست آوردن مدول تغییر شکل در کرنش های کوچکتر استفاده می شود. برای کرنش های کمی بزرگتر می توان از آزمون های لرزش در محل استفاده نمود. روش این آزمون بدین صورت است که یک لرزاننده بزرگ بر روی سازه اصلی یا روی پی نصب شده و نیروی برشی را به خاک منتقل می کند. کرنش ایجاد شده با این روش در محدوده ^5- 10 الی ^3- 10 قرار می گیرد. در شرایطی که تعیین خواص خاک در محدوده کرنش چند درصدی مد نظر باشد، با توجه به زیاد بودن انرژی مورد نیاز مشکلات آزمون لرزش بروز پیدا می کند. در این شرایط بهتر است از آزمونی موسوم به آمون تکرار بارگذاری (Repeated Load Test) استفاده شود.

آزمون های آزمایشگاهی نیز برای تعیین خواص خاک در کرنش های مختلف استفاده می شوند یکی از این آزمایش های مرسوم جهت تعیین خواص خاک ها، آزمایش ستون تشدید است که در آن با انتشار موج در ستون هایی از نمونه خاک خواص آن را مورد ارزیابی قرار می دهند. محدوده کرنش های اعمال شده در این آزمایش در حدود ^4- 10 می باشد. البته ذکر این موضوع ضروری است که برای مطالعه خواص و رفتار خاک در کرنش های به بزرگی چند درصد، می بایست تاثیر بسامد علاوه بر کرنش مورد توجه قرار گیرد. از دیگر آزمایش های آزمایشگاهی رایج می توان به آزمایش برش ساده (Simple Shear Test)، آزمایش استوانه توخالی (Hallow Cylinder Test) و آزمایش المان خمشی (Bender Element Test) اشاره نمود.

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
• ژئوفیزیک (Geophysics)
• آزمایش سه محوری خاک (Triaxial Compression Test)
• روانگرایی خاک (Soil Liquefaction)
• روش های مقابله با روانگرایی خاک (Soil Liquefaction Mitigation)
• 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)
• پدیده فروچاله چیست؟ (?What is The Phenomenon of Sinkhole)
• نشست غیر یکنواخت (Differential Settlement)
• خاک ‌های رمبنده (Collapsible Soil)
• آزمایش دیلاتومتری (DMT: Dilatometer Test)
• مدل سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک (Physical Modeling in Geotechnical Engineering)
• میکرو مکانیک خاک (Soil micro-mechanics)
• پی های حلقه ای، صندوقه ای و پوسته ای (ring, shell & caisson foundation)
• مشخصه های دینامیکی در خاک ها و مسائل ژئوتکنیکی (Dynamic characteristics of soil)

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)

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)

در زمینه طراحی و مشاوره بیشتر مطالعه کنید : 

• معرفی نرم‌ افزار ETABS
• معرفی نرم افزار SAFE
• معرفی نرم افزار SAP2000
• معرفی نرم افزار AutoCAD
• معرفی نرم افزار Plaxis
• معرفی نرم افزار ABAQUS

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

• مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
• خاکبرداری چیست؟ (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
• سازه فولادی یا اسکلت فلزی (Steel Structure)
• سازه بتنی یا اسکلت بتنی (Concrete Structures)

مطالب مرتبط :

• sciencedirect , Dynamic characteristics of soils subject to impact loadings
• springer , Dynamic Characteristics of Soils Subject to Impact Loadings