خانه - کتابخانه - Numerical Modeling of Soil Constitutive Relationship

روابط رفتاری مکانیک خاک، قانون تنش-کرنش خاک را به عنوان هدف تحقیق در نظر می­گیرد که یک مبنای نظری مهم علم مهندسی ژئوتکنیک است. در حال حاضر، اکثر مدل‌های تشکیل‌دهنده الاستو پلاستیک موجود خاک بر اساس نظریه پتانسیل پلاستیک هستند و این تنها راه برای یافتن بیان تحلیلی پتانسیل پلاستیک است. با این حال، این مدل‌ها نمی‌توانند به طور کامل و دقیق ویژگی‌های خاک از جمله تأثیر فشردگی، اتساع، به‌ویژه مسیر تنش را منعکس کنند. در این کتاب به مدل‌سازی عددی مدل های رفتاری خاک پرداخته می شود.

با توجه به این موضوع، مدل‌سازی عددی خاک متورم شونده، ماسه و رس مورد مطالعه قرار می‌گیرد. مدل‌سازی عددی مزایای زیادی نسبت به روش‌های مدل‌سازی سنتی دارد. معادله رفتاری خاک مستقیماً از داده های آزمایش سه محوری استخراج می­شود که بر دشواری یافتن بیان تحلیلی پتانسیل پلاستیک غلبه می­کند. در مدل‌سازی، حالت اولیه و مسیر بارگذاری خاک به‌طور آزاد انتخاب می‌شوند، به طوری که تأثیر هر حالت اولیه و مسیر تنش بر روی رابطه مدل رفتاری خاک در نظر گرفته می‌شود.

درصد رطوبت دلیل اصلی انبساط و انقباض خاک متورم شونده و عامل موثر بر مقاومت است. در پروژه ­ها دیده شده است که خاک متورم شونده با تغییر آب و هوا و اقلیم، محیط زمین شناسی و فعالیت­های مهندسی، دچار تغییر درصد رطوبت و در نتیجه تغییر شکل می شود. بنابراین تحت تأثیر رطوبت، خواص خاک متورم شونده تغییر می­کند و ویژگی های متفاوتی از خود نشان می­دهد. تغییرات مقاومت برشی خاک منبسط شونده بیشتر مربوط به عملکرد آب است. انبساط ناهمسانگرد ناشی از جذب آب ممکن است تنش انحرافی ایجاد کند. انبساط ناهمگن ناشی از توزیع متفاوت جذب رطوبت نیز ممکن است باعث آسیب خاک متورم شونده شود. بنابراین، در پروژه ­های مهندسی، درصد رطوبت اولیه خاک منبسط شونده به عنوان یک معیار مهم برای پیش‌بینی پتانسیل انبساط در نظر گرفته می‌شود.

آزمایش خواص فیزیکی و آزمایش ترکیبات شیمیایی و معدنی بر روی خاک منبسط شونده انجام می­شود. آزمایش‌های سه محوری فشاری زهکشی شده معمولی (DCTC) و زهکشی نشده (UCTC) با درصد رطوبت و وزن واحد حجم متفاوت انجام می‌شود. معادله تشکیل دهنده الاستیک-پلاستیک خاک منبسط شونده تحت درصد­های متفاوت رطوبت با روش مدل‌سازی عددی تشکیل شده و معادله مدل رفتاری در برنامه اجزای محدود تعبیه شده است. تغییر شکل نمونه خاک آزمایش سه محوری به سه قسمت تقسیم می شود و منحنی تنش-کرنش به دست می آید.

در مقایسه با نتایج آزمایش مربوطه، این دو با هم تطابق خوبی دارند. در همان زمان، سطح سه بعدی رابطه تنش-کرنش در کل میدان تنش (P, q) تحت دو درصد متفاوت رطوبت، ترسیم می­شود. از طریق مقایسه، مشخص شد که بین این دو تفاوت معنی‌داری وجود دارد که تأیید می‌کند که تأثیر درصد رطوبت بر رابطه معادله رفتاری خاک منبسط شونده واضح است.

آزمایش‌های بارگذاری چرخه ای ماسه در سه مسیر تنش زیر انجام می شود:

1. مسیر نسبت تنش اصلی برابر
2. مسیر معمولی (DCTC)
3. مسیر تنش برابر P (dptc)

معادله تشکیل دهنده الاستیک-پلاستیک ماسه تحت سه مسیر تنش با روش مدل‌سازی عددی ایجاد شده و معادله رفتاری در برنامه اجزای محدود تعبیه شده است. دقت مدل با مقایسه نتایج محاسبه المان محدود تغییر شکل نمونه خاک آزمایشی سه محوری با نتایج آزمایش مربوطه تأیید می‌شود. منحنی رابطه تنش-کرنش در کل میدان تنش (P, q) تحت سه مسیر تنش ترسیم شده است. سطح رابطه کرنش و مکان تسلیم روند تغییر یکسانی دارند، که ثابت می کند نمی­توان تأثیر مسیر تنش را بر رابطه مدل رفتاری نادیده گرفت.

آزمون های بارگذاری سه محوری چهار مسیر تنش مربوط به خاک رس انجام می شود: DCTC، dptc، UCTC و drtc. مدل تشکیل دهنده الاستیک-پلاستیک خاک رس تحت این چهار مسیر تنش ایجاد می‌شود و رابطه تنش-کرنش در کل میدان تنش ارائه می‌شود که به صورت میدان تنش سطح کرنش فضایی در داخل تجسم می‌شود. به‌ویژه، مدل رفتاری الاستیک-پلاستیک خاک رس تحت شرایط مسیر کاهش p و شرایط زهکشی نشده ایجاد می شود که یک مدل رفتاری عملی برای گودبرداری و مهندسی خاک مربوطه در شرایط زهکشی نشده ارائه می­دهد. از طریق تجسم رابطه تنش-کرنش و شبیه‌سازی عددی، نشان داده می‌شود که روش مدل‌سازی عددی می‌تواند به طور جامع ویژگی‌های تغییر شکل خاک را تحت مسیرهای تنش مختلف توصیف کند.

با مقایسه نتایج تغییر شکل خاک عادی تحکیم یافته تحت چهار مسیر تنش، مشخص شد که در محدوده تنش، مقدار حداکثر کرنش، شکل سطح کرنش و روند تغییر مکان تسلیم حجمی تفاوت معنی داری وجود دارد، در حالی که مکان تسلیم برشی مشابه است که ناشی از همبستگی مسیرهای تنش است. در عین حال، نشان می‌دهد که همبستگی مسیر تنش را نمی‌توان در رابطه مدل رفتاری خاک نادیده گرفت و روش مدل‌سازی عددی روشی مؤثر برای توصیف همبستگی مسیر تنش است.

با مقایسه مسیرهای تسلیم برشی و حجمی خاک‌ های عادی تحکیم ­یافته تحت مسیرهای تنش مختلف، نشان داده می‌شود که مسیرهای تنش تأثیر قابل‌ توجهی بر روند تکامل کرنش سخت شدگی رس‌ها دارند. در عین حال، توصیف رابطه تنش-کرنش خاک­ ها با فرض شکل ثابت سطح تسلیم در روش مدل سازی سنتی رفتار الاستوپلاستیک خاک ها دقیق نیست.

نتایج نشان می‌دهد که مدل‌سازی عددی بهتر از روش مدل‌سازی سنتی است. این نوع از مدلسازی نه تنها اتساع و فشردگی خاک را توصیف می­کند، بلکه تأثیر حالت های اولیه و مسیرهای تنش مختلف را نیز منعکس می کند. روش مدل‌سازی عددی امکان‌پذیر، موثر و چشم‌انداز توسعه گسترده ای دارد.

فصل اول کتاب مدل‌سازی عددی مدل های رفتاری خاک عمدتا توسط پروفسور ژو جیانتینگ (jtzhou@cqjtu.edu.cn) و رن چینگ یانگ (qyren@cqjtu.edu.cn) نوشته شده است و بقیه فصل ها توسط پروفسور رن چینگ یانگ نوشته شده است.

رابطه مدل رفتاری خاک

رابطه مدل رفتاری خاک ها، رابطه بین تانسور تنش و تانسور کرنش است. به طور کلی به گروهی از روابط اطلاق می شود که پارامترهای تغییر شکل خاک را به پارامترهای نیروی داخلی مرتبط می­کند. به طور خاص، به مجموعه ای از روابط اشاره دارد که به عنوان معادله رفتاری نیز شناخته می شود، که تانسور کرنش تغییر شکل را با تانسور تنش پیوند می دهد. برای خاک های مختلف، روابط متفاوتی تحت شرایط تغییر شکل مختلف وجود دارد که به عنوان مدل های سازنده مختلف نیز شناخته می شود، که بازتابی جامع از خواص مکانیکی ماکرو خاک است.

از سال 1963 که Roscoe و دیگران مدل Cam Clay را پیشنهاد کردند، تحقیق در مورد رابطه مدل های رفتاری خاک به سرعت توسعه یافت. به خصوص در 20 سال گذشته، روش عددی برای حل مسائل مهندسی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است، که باعث می شود مسائل پیچیده مهندسی به صورت عملی حل شوند. با این حال، در حل این مسائل مهندسی، مشکل اصلی همچنان ویژگی ­های مهندسی خاک است، یعنی رابطه بین تنش و کرنش خاک و زمان، یعنی رابطه مدل رفتاری خاک نیز مشکل اولیه در این زمینه است. تجزیه و تحلیل عددی مکانیک خاک و مهندسی ژئوتکنیک هدف این کتاب و ارائه روش مدل‌سازی عددی رابطه مدل رفتاری خاک بر اساس بحث رابطه بین تنش، کرنش و زمان است.

خواص مکانیکی خاک

خاک نوعی رسوب است که در محیط‌های مختلف طبیعی توسط ذرات سنگی پیوسته و جامد با اندازه های مختلف که در اثر هوازدگی و روش‌های مختلف حمل و نقل تشکیل می شوند، تشکیل می‌شود. در دوران بلند مدت زمین شناسی، انواع سنگ ها و خاک ها در اثر نیروهای مختلف داخلی و خارجی شکل گرفته است. سنگ تحت هوازدگی قرار گرفته و باعث تشکیل خاک می­شود، در حالی که خاک نیز تحت فشردگی و تحکیم قرار می گیرد و می­ تواند سیمانته شود و دوباره سنگ تولید کند. اجزای مادی خاک شامل ذرات جامد معدنی به عنوان اسکلت خاک، آب موجود در منافذ و گاز است. بنابراین، خاک یک سیستم سه فازی است که از ذرات (فاز جامد)، آب (فاز مایع) و گاز (فاز گاز) تشکیل شده است (شکل 1). اندازه ذرات و ترکیب معدنی انواع خاک بسیار متفاوت است و نسبت کمیت سه فاز خاک یکسان نیست و اثرات پیچیده فیزیکی و شیمیایی ذرات خاک و آب اطراف آن رخ می دهد. بنابراین برای بررسی خواص خاک، شناخت ترکیب سه فازی خاک و ساختار و ساختار خاک در حالت طبیعی ضروری است.

با توجه به وجود نیروی چسبندگی بین ذرات خاک، خاک را می توان به خاک چسبنده و خاک غیر چسبنده تقسیم کرد. با توجه به تاریخچه تنش، خاک رسی را می توان به خاک رس عادی تحکیم یافته و رس پیش تحکیم یافته تقسیم کرد. نسبت خاک رس عادی تحکیم یافته OCR = 1 و خاک رس پیش تحکیم یافته OCR > 1 است. خاک بدون چسبندگی عمدتاً شامل خاک شنی، خاک ماسه­ ای، سیلت و غیره است. مسیر تغییر حالت تنش در فرآیند بارگذاری خاک را مسیر تنش می نامند. و مسیر تغییر حالت کرنش را مسیر کرنش می نامند. کل فرآیند تاریخی تغییر تنش در خاک از ابتدای تشکیل تا نقطه خاصی که مورد مطالعه قرار می گیرد، تاریخچه تنش نامیده می شود. نسبت منافذ، درصد رطوبت، ساختار و ترکیب مواد، تاریخچه تنش و مسیر تنش همگی بر خواص مکانیکی خاک تأثیر می‌گذارند.