تنش موثر چیست؟ (Effective Stress)

اصل تنش موثر در مهندسی خاک یکی از نظریه های مهمی است که کارل ترزاقی در سال 1936 مطرح کرد. ویژگی های بیشتر و تعیین تنش موثر در خاک در زیر به اختصار توضیح داده شده است.
تنش کل (σ) برابر با حاصل جمع تنش موثر و فشار منفذی است و در واقع میﺗﻮان آن را ﺑﻪ دو ﻗﺴﻤﺖ زﻳﺮ ﺗﻘﺴﻴﻢ ﻧﻤﻮد:‏

‏1. قسمتی ﻛﻪ ﺗﻮﺳﻂ آب ﻣﻮﺟﻮد در ﻓﻀﺎی ﺑﻴﻦ داﻧﻪ ﻫﺎ ﺣﻤﻞ میﺷﻮد. اﻳﻦ ﻗﺴﻤﺖ دارای ﺷﺪت ﻣﺴﺎوی در ﺗﻤﺎم اﻣﺘﺪاد ‫ﻫﺎﺳﺖ.‏
‏2.  ﺑﺎﻗﻴﻤﺎﻧﺪه ﺗﻨﺶ ﻛﻞ ﺗﻮﺳﻂ ﻗﺴﻤﺖ ﺟﺎﻣﺪ ﺧﺎک در ﻧﻘﺎط ﺗﻤﺎس داﻧﻪ ﻫﺎ ﺣﻤﻞ می ﺷﻮد. ﻣﺠﻤﻮع ﻣﻮﻟﻔﻪ ﻫﺎی ﻗﺎﺋﻢ ﻧﻴﺮوﻫﺎی به وﺟﻮد آﻣﺪه در ﻧﻘﺎط ﺗﻤﺎس ذرات ‏ﺟﺎﻣﺪ در واﺣﺪ ﺳﻄﺢ ﺗﻮده ﺧﺎک، ﺗﻨﺶ ﻣﻮﺛﺮ ﻧﺎﻣﻴﺪه می ﺷﻮد. ﺗﻨﺶ ﻣﻮﺛﺮ را ‫می ﺗﻮان از ﺣﺎصل ضرب وزن ﻣﺨﺼﻮص ﻏﻮﻃﻪ ور ﺧﺎک در ارﺗﻔﺎع ﺳﺘﻮن ﺧﺎک ‏ﺗﻌﻴﻴﻦ ﻛﺮد.‏

𝜎′ = 𝛾′𝑧

بیشتر بخوانید: تخریب ساختمان

کارل فون ترزاقی (Karl von Terzaghi)، یکی از مشهورترین مهندسین عمران و ژئوتکنیک جهان که به پدر مکانیک خاک نیز معروف است، اولین رابطه محاسبه تنش موثر را در سال 1925 ارائه کرد. واژه موثر برای ترزاقی، به معنای تنشی بود که بر روی حرکت خاک یا ایجاد جابجایی ها تأثیر داشت. این تعریف، تنش میانگین اعمال شده به اسکلت خاک را نشان می‌دهد.

طبق رابطه ترزاقی تنش کل وارد شده برابر با حاصل جمع تنش موثر و فشار منفذی است:

σ = σ′ + u

در مثال های ساده می توان فشار منفذی را از حاصل ضرب وزن مخصوص آب در ارتفاع سطح آب زیرزمینی و تنش کل را از حاصل ضرب ارتفاع خاک در وزن مخصوص آن به دست آورد.

σ = H_soil ^𝛾_soil

u = H_w 𝛾_w

همانند مفهوم تنش، این رابطه نیز ساختاری برای تجسم نیروهای اعمال شده بر یک توده خاک، مخصوصاً برای الگو‌های ساده تحلیل پایداری شیب به همراه یک سطح لغزش ارائه می‌کند. در این الگو‌ها، دانستن وزن خاک بالای سطح لغزش (به همراه آب) و فشار آب منفذی درون سطح (با فرض اعمال فشار به صورت یک لایه محصورشده) اهمیت بالایی دارد. با این وجود، رابطه تنش موثر هنگام در نظر گرفتن رفتار واقعی ذرات خاک در شرایط مختلف پیچیده‌ تر می شود زیرا هیچ یک از متغیر های این رابطه مستقل نیستند.

در شرایط وجود فشار آب منفذی غیر هیدرو استاتیک، مفهوم تنش موثر بسیار جالب‌تر می‌شود. هنگام وجود گرادیان فشار منفذی، آب زیرزمینی بر اساس معادله نفوذپذیری یا همان «قانون دارسی» (Darcy’s Law) جریان می‌یابد. اگر آب تزریق شود، نیروی تراوش برای جداسازی کره ها عمل می کند و تنش موثر را کاهش می دهد. بنابراین، توده خاک ضعیف تر می شود. اگر آب خارج شود، کره ها به هم چسبیده و تنش موثر افزایش می یابد.

وجود آب منفذی غیر هیدرو استاتیکی می تواند دو پدیده را به وجود آورد:

• شن روان (Quicksand):  در این حالت شیب آب زیرزمینی و نیروی تراوش بر خلاف گرانش عمل می کنند.
• اثر قلعه ماسه‌ای (Sandcastle Effect): در این وضعیت، زهکشی آب و اثر مویینگی باعث تقویت شن می‌شوند.

اهمیت اصل تنش موثر

در مسائل ژئوتکنیکی، تعریف تنش موثر بسیار مهم است. تنش اعمال شده به خاک نمی تواند مانند فولاد یا بتن کرنش های آنی ایجاد کند.

هنگامی که یک بار خارجی به یک خاک اشباع شده اعمال می شود، فشار منفذی ایجاد می شود که سپس تخلیه شده و با یک تأخیر زمانی خاص به فشار بین دانه ای یا موثر تبدیل می شود. مقدار این تاخیر زمانی با توجه به نوع خاک تعیین می شود. مسائل مربوط به فشار منافذ در خاک‌ های رسی بسیار شدیدتر از خاک‌ های شنی است.

بارگذاری و ارتعاش می تواند باعث ایجاد فشار منفذی در خاک های شنی و در نتیجه مشکلات روانگرایی شود.

تنش موثر بر استحکام برشی و تغییرات حجمی خاک تأثیر می گذارد. بارهای وارد شده به توده های خاک توسط دانه های جامد یا آب موجود در منافذ و در مواقعی توسط هر دو حمل می شود. با افزایش بارگذاری بر توده خاک فشار وارد بر ذرات آب بین دانه های خاک بیشتر شده و تحت اثر این فشار، از خاک خارج می شوند و بار بیشتری به ذرات وارد می شود. اگر تنش کل و فشار منفذی به همان میزان افزایش یابد (Δσ = Δu) در حجم تغییری حاصل نخواهد شد. از سوی دیگر، افزایش تنش موثر، به ذرات خاک اجازه می دهد تا متراکم تر شوند. در نتیجه، تنش های کارآمد باید در ارزیابی های پایداری و محاسبات نشست استفاده شوند. خرابی زمین معمولاً تدریجی است و ماه ها یا حتی سال ها طول می کشد تا رخ دهد. فشار منفذی ممکن است نقش مهمی در چنین شرایطی نداشته باشد. از طرف دیگر بارگذاری پایه بر روی یک خاک رس نرم باعث افزایش فشار منفذی و زهکشی کم می شود.

دایره موهر کلمب برای تنش کل و موثر

دایره آبی رنگ نشان داده تنش کل و دایره قرمز رنگ تنش موثر را به ما نشان می دهد. همان طور که می بینید قطر دو دایره و تنش برشی در هر دو دایره با هم برابر است (𝜏´ = 𝜏). و دایره تنش کل به اندازه فشار منفذی (u) به سمت چپ کشیده شده است.

تاثیر تنش موثر بر مقاومت برشی

مقاومت برشی بحرانی خاک متناسب با تنش موثر است. بنابراین، تغییر در تنش موثر باعث تغییر در مقاومت برشی می شود. بنابراین، اگر فشار منفذی در خاک افزایش یابد، تنش‌های موثر به میزان ′Δ𝜎 کاهش می‌یابد و مقاومت بحرانی خاک به میزان Δ𝜏 کاهش می‌یابد که گاهی منجر به شکست می‌شود.

یک قلعه شنی کنار دریا در حالی که مرطوب است دست نخورده باقی می ماند، زیرا فشار منفذی منفی است. با خشک شدن، این مکش فشار منفذی از بین می رود و فرو می ریزد. توجه: گاهی اوقات یک قلعه شنی دست نخورده باقی می‌ماند، حتی زمانی که تقریباً خشک شود، زیرا نمک ته‌ نشین شده به عنوان آب دریا کمی تبخیر می‌شود و دانه ها را به هم متصل می‌کند.

بسیاری از مسائل مهندسی ژئوتکنیک مستلزم ارزیابی مقاومت برشی هستند. از جمله:

الف) پایه های سازه:

بار از یک سازه از طریق پی به زمین منتقل می شود. این باعث ایجاد تنش برشی و تنش فشاری می شود. اگر تنش برشی تولید شده بیشتر از مقاومت برشی خاک باشد، شکست برشی رخ می دهد که باعث فرو ریختن سازه می شود.

ب) شیب های زمین:

در زمین های شیبدار، نیروی جاذبه باعث ایجاد تنش های برشی در خاک می شود. اگر این تنش ها از مقاومت برشی فراتر رود، ریزش رخ می دهد.

ج) روسازی بزرگراه:

بارهای چرخ وسایل نقلیه از طریق روسازی به زمین منتقل می شود. این بارها تنش برشی ایجاد می کنند که باعث شکست برشی می شود.

تأثیر تغییر تنش موثر در تغییر حجم

بلافاصله پس از ساخت پی بر روی یک خاک خوب، فشار منفذی افزایش می یابد، اما بلافاصله با زهکشی شروع به کاهش می کند. سرعت تغییر تنش موثر تحت بارگذاری شالوده، پس از احداث، با نرخ تغییر فشار منفذی برابر خواهد بود و این تحت تاثیر نفوذپذیری خاک است. با تغییر حجم (و در نتیجه ضخامت) لایه های خاک، نشست رخ می دهد. بنابراین، نشست در خاک های درشت دانه با نفوذپذیری بالا به سرعت و در خاک های ریزدانه با نفوذپذیری کم به آرامی رخ می دهد.

نشست خاک

پدیده کاهش تدریجی حجم خاک در اثر خروج آب از منافذ خاک را تحکیم یا فشرده سازی یا نشست خاک می گویند. شکل زیر منحنی فشرده سازی خاک رس را نشان می دهد. این منحنی بین تنش موثر σ و نسبت تخلخل است. از نمودار مشخص است که وقتی σ افزایش می‌یابد e کاهش می‌یابد، یعنی به دلیل افزایش تنش مؤثر، فشردگی خاک افزایش می‌یابد.

S = m_V H Δσ

Δσ: تغییر تنش موثر

H: ضخامت لایه خاک

m_V: ضریب تراکم پذیری

ار رابطه بالا مشخص می شود که تنش موثر با نشست رابطه مستقیم دارد.

نتیجه:

• اصل تنش موثر یکی از مهمترین اصول مکانیک خاک است.

• تغییر شکل در خاک تابع تنش های موثر است نه تنش کل.

• اصل تنش های مؤثر فقط در مورد تنش های قائم صدق می کند و نه در مورد تنش های برشی.

• فشار آب منفذی نمی تواند تنش های برشی را حفظ کند و بنابراین جامدات خاک باید در برابر نیروهای برشی مقاومت کنند. بنابراین 𝜏′ = 𝜏 که در آن 𝜏 تنش برشی کل و ′𝜏 تنش برشی موثر است.

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)
• آزمایش های تعیین درصد رطوبت و شاخص دوام وارفتگی در سنگ ها (Water content of rock)
• آزمایش تعیین تخلخل و چگالی خشک سنگ (Experiment to determine the porosity and dry density of rock)
• دستورالعمل آزمایش تعیین مقاومت فشاری تک محوری (نامحصور) ماده سنگ (Unconfined Compression Test)
• دستورالعمل تعیین مقاومت کششی سنگ به روش غیر مستقیم (آزمایش برزیلی) (Tensile strength of stone)
• دستورالعمل آزمایش مقاومت فشاری سه محوری سنگ (Triaxial compressive strength test of stone)
• دستورالعمل آزمایش تعیین میزان سایش سنگ دانه ها با استفاده از ماشین لس آنجلس (Los Angeles Abrasion Test)
• دستورالعمل اندازه گیری بر جای تغییر شکل سنگ با آزمایش بارگذاری صفحه ای ((PLT) Plate Load Test)
• دستورالعمل تعیین تنش برجا و ضریب تغییر شکل پذیری با استفاده از روش جک تخت (Flat Jack Method)
• تنش موثر چیست؟ (Effective Stress)
• 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)
• بررسی اثر مدل رفتاری مور کولمب اصلاح شده بر رفتار گود های مهار شده
• مدلسازی تأثیر پارامتر های هندسی روش انکراژ بر پایداری گود های عمیق شهری با نرم افزار آباکوس
• مطالعه طول بهینه نیل در روش نیلینگ با استفاده از رویکرد تعادل حدی
• استفاده از اعضای مارپیچ در فعالیت های ژئوتکنیکی (Helical Nails & Anchors)
• دستگاه و تجهیزات تزریق دوغاب سیمان (ست تزریق) (Cement Grouting Equipment)
• آزمایش تعیین تخلخل و چگالی خشک سنگ (Experiment to determine the porosity and dry density of rock)

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
• تنش های موضعی در تک شمع مجاور گودبرداری با سیستم های سازه نگهبان خرپایی، سپری فلزی و روش شمع
• اختلاط عمیق خاک (Deep Soil Mixing)

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 :
• trenchlesspedia , Effective Stress
• civilengineeringnotes , Effective Stress Concept in Soil Mechanics