Plastic Mechanics of Geomaterial

نظریه پلاستیسیته به طور گسترده ای برای توصیف رفتارهای مکانیکی مواد متخلخل مثل خاک در مهندسی عمران استفاده می شود. این کتاب خلاصه ای از تجربیات نویسنده در آموزش و تحقیق مکانیک پلاستیک مواد متخلخل مثل خاک است که بر دشواری و سردرگمی دانشجویان تحصیلات تکمیلی در فرآیند یادگیری می افزاید. در این کتاب، نظریه کلی پلاستیسیته به اختصار بیان شده است و توجه ویژه ای به پاسخ مکانیکی و مدل رفتاری برای مواد متخلخل مثل خاک شده است. علاوه بر این، از زبانی ساده و قابل فهم برای معرفی مفاهیم، نظریه ها، روش ها و مدل های اساسی استفاده می شود و منطق کلی به صورت سیستماتیک بسط داده می شود. امیدواریم این کتاب بتواند همکاران و دانشجویان فارغ التحصیل رشته مهندسی ژئوتکنیک را قادر سازد تا به درک عمیقی از خواص مکانیکی پایه و مدل های سازنده مواد متخلخل مثل خاک دست یابند و پس از ارزیابی وضعیت واقعی مهندسی، معقول ترین مدل رفتاری را انتخاب و ایجاد کنند.

محتوای کتاب مکانیک پلاستیک مواد متخلخل به شرح زیر تنظیم شده است:

• مفهوم اساسی نظریه پلاستیک مواد متخلخل مثل خاک
• مبانی مکانیک پیوسته نظریه پلاستیک: تحلیل تنش، تحلیل کرنش و معادلات اساسی، خواص مکانیکی اساسی و توصیف آنها از مواد متخلخل مثل خاک
• تئوری غیرخطی و همچنین مدل رفتاری غیرخطی معمولی برای مواد متخلخل مثل خاک
• پایه و اساس نظریه پلاستیک کلاسیک و نظریه پلاستیک کلاسیک
• پیشرفت تحقیق در مبانی اساسی در مدل رفتاری مواد متخلخل مثل خاک و توسعه نظریه پلاستیک این مواد در تئوری سطح تسلیم
• نظریه سخت شدن، قانون جریان و معیار بارگذاری – باربرداری
• نماینده مدل رفتاری استاتیک برای مواد متخلخل مثل خاک
• تئوری محاسباتی برای اثر چرخش محورهای تنش اصلی، خواص مکانیکی دینامیکی پایه و مدل های تشکیل دهنده دینامیکی معمولی برای مواد متخلخل مثل خاک
• تجزیه و تحلیل حالت حدی در مهندسی ژئوتکنیک و آخرین پیشرفت آن و تجزیه و تحلیل اجزای محدود.

 هر فصل از کتاب مکانیک پلاستیک مواد متخلخل مثل خاک با چند سوال و ارجاع به پایان می رسد که به خوانندگان کمک می کند تا بیشتر درک کنند و به طور گسترده مطالعه کنند.

در روند نوشتن این کتاب، ما از مینگ هو، ژونگ‌یو لی، جیاوو ژو، پی یونگ وانگ، چانگ‌بینگ شان، ییژونگ تان، شیائولیانگ چن، چنیو کیو و شانگی ژائو کمک می ‌گیریم. نمودارهای مناسب این کتاب نتیجه کار سخت افرادی مثل پنگ هویی چو، هونگ وی کیوین لی، کانادینینگ، شائوگوی ریویزیون، لیون‌گوی، لیچن ‌نینگ، شائوگو می باشد. همچنین کیفیت زبانی کتاب توسط معلم لینگ دو انجام شد.

خلاصه

این کتاب نتایج تلاش های پرزحمت نویسنده در کار آموزشی و پژوهشی مکانیک پلاستیک مواد متخلخل مثل خاک برای مدت طولانی است. این تلاشی است برای بیان واضح مفاهیم اساسی پلاستیک مواد متخلخل مثل خاک، خواص مکانیکی استاتیکی و دینامیکی پایه، نظریه پلاستیک غیرخطی و کلاسیک، نظریه سطح تسلیم مواد متخلخل مثل خاک، مدل سخت شدن، قانون جریان و معیار بارگذاری – باربرداری، نظریه محاسباتی اصلی ترین تحلیل محور تنش و آخرین آنالیز چرخش حدی محور تنش و اجزای محدود. علاوه بر این، مدل رفتاری معمولی استاتیکی و دینامیکی مواد متخلخل مثل خاک نیز به تفصیل معرفی شده است، امیدواریم این کتاب به خوانندگان کمک کند تا درک عمیقی از خواص مکانیکی اولیه و مدل رفتاری برای مواد متخلخل مثل خاک پیدا کنند و معقول ترین مدل رفتاری را با توجه به مشکلات مهندسی خاص و ویژگی‌ های مواد متخلخل مثل خاک ایجاد و انتخاب کنند. کتاب مکانیک پلاستیک مواد متخلخل برای طراحان و محققین رشته های مرتبط مهندسی ژئوتکنیک مناسب است و همچنین می تواند به عنوان کتاب درسی برای دوره های تحصیلات تکمیلی مربوطه مورد استفاده قرار گیرد.

معرفی

حل مسائل پیچیده مهندسی ژئوتکنیک (پایداری، تغییر شکل) از رایانه جدایی ناپذیر است و هسته تحلیل عددی مدل رفتاری خاک است. اگر مدل اشتباه باشد، نتیجه محاسبه بی فایده است. بسیاری از مهندسان ژئوتکنیک نمی دانند که نتیجه محاسباتی آنها به مدل رفتاری ای که انتخاب کرده اند بستگی دارد. اساس مدل رفتاری خاک، مکانیک پلاستیک خاک است.

1.1 مفهوم اساسی

1.1.1 تغییر شکل پلاستیک

پاسخ مکانیکی مواد را می توان به سه مرحله تقسیم کرد: مرحله تغییر شکل الاستیک، تغییر شکل می تواند پس از باربرداری بازیابی شود. در مرحله تغییر شکل پلاستیک، بخشی یا تمام تغییر شکل پس از باربرداری قابل بازیابی نیست و در مرحله خرابی، تنش به مقاومت نهایی مواد می رسد و باعث شکست ساختار مواد یا شکست ماکروسکوپی می شود.

تغییر شکل الاستیک به طور کلی به عنوان یک مدل خطی در نظر گرفته می شود و تغییر شکل پلاستیک به طور کلی به عنوان یک مدل غیر خطی در نظر گرفته می شود. اجازه دهید نگاهی به شکل 1 بیندازیم و الاستیسیته، پلاستیسیته و غیرخطی را شناسایی کنیم. خطوط بارگیری و تخلیه در شکل 1a  همپوشانی دارند. این بدان معنی است که هیچ تغییر شکل باقیمانده ای وجود ندارد اگر چه خطوط منحنی یعنی غیرخطی هستند. شکل 1b  یکسان نیست، مسیر بارگیری با مسیر باربرداری متفاوت است و تغییر شکل باقیمانده پس از تخلیه ظاهر می شود، اگرچه این مسیرها خطوط مستقیم هستند.

به طور کلی، تغییر شکل الاستیک مواد به عنوان یک مدل خطی توصیف می شود، در حالی که مشخصه غیرخطی برای تغییر شکل پلاستیک مشخص است. با این حال، غیرخطی بودن تفاوت اساسی بین مواد الاستیک و مواد پلاستیکی نیست، زیرا مشخصه غیرخطی نیز در تغییر شکل الاستیک برخی از مواد مانند لاستیک نشان داده می شود: منحنی تنش-کرنش غیرخطی است، اما تغییر شکل را می‌توان پس از باربرداری به طور کامل بازیابی کرد. رفتار مکانیکی مواد در شکل 1b  خطی است، اما تغییر شکل باقیمانده پس از باربرداری وجود دارد (تغییر شکل پلاستیک). البته این نوع مطالب در واقعیت وجود ندارد و امیدوارم ماده ای که این رفتار را داشته باشد پیدا یا خلق شود.

تفاوت اساسی بین مواد الاستیک و مواد پلاستیک در این است که آیا تفاوتی در مسیر بارگذاری و باربرداری وجود دارد و آیا تغییر شکل باقیمانده (تغییر شکل پلاستیک) پس از تخلیه وجود دارد یا خیر. بنابراین، شکل 1a رفتار الاستیک نامیده می شود، در حالی که شکل 1b رفتار الاستوپلاستیک است. تغییر شکل پلاستیک یک اعوجاج غیرقابل برگشت است، یعنی تغییر شکل پس از بین رفتن تنش نمی تواند به طور کامل بازگردد.

تنش مربوط به کرنش خاصی در تغییر شکل الاستیک است و به آن رابطه کل تنش کرنش می گویند. مسیر بارگذاری و مسیر باربرداری در مرحله تغییر شکل پلاستیک متفاوت است و رابطه متناظر برای تنش و کرنش در حالت پلاستیک وجود دارد (شکل 2). رابطه کل را فقط می توان برای برخی موارد بارگذاری ساده اعمال کرد، در حالی که رابطه افزایشی باید در موارد دیگر اتخاذ شود.

2.1.1 مکانیک پلاستیک

مکانیک پلاستیک تحت عنوان مکانیک طبقه بندی می شود. مکانیک، علمی است که به مطالعه قانون حرکت مکانیکی می پردازد. حرکت مکانیکی ساده ترین و اساسی ترین اشکال حرکت در طبیعت است. محل قرارگیری یک جسم نسبت به جسم دیگر یا محل قرارگیری یک قسمت از یک جسم نسبت به قسمت های دیگر، فرآیند تغییر این مکان ها با زمان را حرکت مکانیکی می گویند.

مکانیک پلاستیک موضوعی است که به بررسی تغییر شکل و پایداری جسم در فاز تغییر شکل پلاستیک می پردازد. این شاخه ای از مکانیک پیوسته است. مکانیک پیوسته قوانین کلی مکانیک را مطالعه می کند که اجسام تغییر شکل پذیر با توزیع جرم پیوسته از آنها پیروی می کنند. به عنوان مثال، قضیه پایستگی جرم، تکانه و تکانه زاویه ای، بقای انرژی و غیره. معادلات اساسی مکانیک پیوسته را می توان به سه دسته تقسیم کرد:

1.  معادلات هندسی: برای توصیف رابطه هندسی بین تغییر شکل و حرکت جسم (رابطه جابجایی و کرنش).

2.  معادله بقا: بقای جرم، تکانه زاویه ای، تکانه و انرژی.

3.  معادلات فیزیکی (معادله رفتاری): برای به تصویر کشیدن رابطه بین حالت فیزیکی و خواص مکانیکی. تفاوت بین شاخه های مکانیک پیوسته (مانند مکانیک الاستیک، مکانیک پلاستیک و مکانیک سیالات) معادلات مختلف سازنده (معادله دسته سوم) است. وظیفه مکانیک پلاستیک ساخت این نوع معادله و حل مسائل مهندسی در مرحله تغییر شکل پلاستیک است.

3.1.1 مکانیک پلاستیک مواد متخلخل

مکانیک پلاستیک مواد متخلخل مثل خاک موضوعی است که به بررسی تغییر شکل و پایداری این مواد در مرحله تغییر شکل پلاستیک می پردازد. یک محتوای کلاسیک از مکانیک پلاستیک سنتی، جستجوی حل تحلیلی مسائل الاستوپلاستیک با مرز است.