از دیدگاه انرژی میتوان چنین توجیه نمود که اگر جسمی در معرض اعمال تغییر شرایط حدی مثل اعمال بار قرار گیرد، سطح انرژی در آن ماده تغییر نموده و بر اساس اصل پایداری سطح انرژی در طبیعت در قالب حداقل شدن، بهتدریج جسم مورد نظر شرایط خویش را بهگونهای تغییر میدهد تا سطح انرژی داخلی خویش را به حداقل ممکن که حالت پایداری دائمی را در بردارد، برساند.
۳-۸-۲- مبانی نظری
خزش انحرافی یا همان خزش برشی، یک تغییرشکل برشی وابسته به زمان است که از تنش برشی ثابت ناشی می شود. خزش برشی عموماً می تواند بهعنوان بازآرایش متقابل دانه های خاک توصیف شود؛ یعنی تغییرات ادامهدار ساختار خاک با بازآرایش متقابل تماسها و نیروهای وارد بر سطوح تماس. در مقایسه با رفتار خزش حجمی که برای خاک منحصربهفرد است (به دلیل فرایند ترکیبی بازآرایش دانه های خاک و خروج آب از آن)، طبیعت رفتار خزش برشی خاک کموبیش مشابه مواد دیگر است. بااینحال در طبیعت خزش برشی معمولاً بهصورت همزمان با خزش حجمی رخ میدهد (هاول، ۲۰۰۴).
( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
برخلاف خزش حجمی، خزش برشی می تواند منجر به گسیختگی تحت شرایط خاصی باشد. مستعدترین مواد در امر خزش، رسهای نرم حساس و اشباع تحت شرایط زهکشی نشده و رسهای شدیداً بیشتحکیم یافته تحت شرایط زهکشیشده هستند. سایر تأثیرات خزش برشی شامل تغییر مقاومت که با تغییر در تنش مؤثر ناشی از تغییر فشار منفذی در طول خزش زهکشینشده است، یا تغییرات تخلخل بهعنوان نتیجه تغییر حجم در طول خزش زهکشیشده است. تصویری از این فرایند با مسیرهای تنش مربوطه را میتوان در شکل ۳-۲۲ مشاهده نمود. بر اساس این واقعیتها، میتوان اهمیت خزش برشی را در تحلیل مسائل پایداری خاک، مانند ظرفیت باربری یا پایداری شیروانیها، درک نمود.
شکل ۳-۲۲: تأثیر خزش زهکشینشده بر مقاومت رس عادی تحکیمیافته (میشل، ۱۹۹۳)
مهمترین اختلاف بین خزش حجمی و برشی احتمال رخ دادن خزش ثانویه و ثالثیه (خزش مرحله سوم) است که به مقدار بسیج نیروی برشی، نوع خاک و شرایط مرزی بستگی دارد. برآورد منحنی جریان خزش، یعنی خزش ثانویه نسبتاً آسان است، زیرا رابطهای خطی بین تغییرشکل خزشی و زمان وجود دارد. رخ دادن خزش مرحله سوم منجر به گسیختگی می شود، به شرطی که تنش برشی کاهش داده نشود؛ بنابراین یکی از مسائل عمده در مورد رفتار خزش برشی پیدا کردن مقادیر بسیج برش که محدودکنندهی رخ دادن خزش ثانویه و مرحله سوم است، یعنی مقادیر تنش برشی توصیفکننده شروع خزش ثانویه و مرحله سوم، میباشد. به بیان ساده، لازم است که مرزهایی که خزش اولیه به خزش ثانویه و متعاقباً به خزش مرحله سوم تغییر مینماید که منجر به از دست رفتن مقاومت مواد می شود را تعیین کنیم. برای پاسخ به این سؤال لازم است تا رفتار خزش برشی مواد اصلی، در اینجا خاک رسی را تحت مقادیر مختلف تنش برشی (مقادیر مختلف بسیج برش) مطالعه نماییم.
آزمایشهای خزش برشی متعددی توسط پژوهشگران مختلف انجام شده است. بر اساس دستگاه استفاده شده، میتوانیم این آزمایشها را به دو گروه عمده تقسیم نماییم: آزمایشهای خزش برشی انجامشده توسط دستگاه برش مستقیم و آزمایشهای انجامشده توسط دستگاه سهمحوری.
ازآنجاییکه در این پایان نامه برای آزمایشهای خزش برشی فقط از دستگاه برش مستقیم استفاده شده است، از توضیح دستگاه سهمحوری صرفنظر کردهایم. در ادامه توصیف روند کار در آزمایش برش مستقیم، طبیعت آزمایشها، توصیف کامل ابزار، مثالهایی از رفتار خزش برشی تحت شرایط معین و ارزیابی آنها آمده است.
۳-۸-۳- آزمایش خزش در خاک
با توجه به طبیعت دانهای بودن خاکها، رفتار زمانی در اینگونه مواد غالباً آثار قابلتوجهی دارد، خصوصاً خزش خاکها مورد توجه متخصصان میباشد. در بسیاری از خاکها از قبیل رس، شیست، خاک ریختهگری و غیره پدیده خزش مشاهده می شود.
علت اصلی پدیده خزش در خاک، امکان الزام تغییر سطح انرژی به تراز حداقل در طبیعت است. گروهی از محققین معتقدند علت خزش در خاک، بخصوص در خاکهای ریزدانه، تحکیم ثانویه، ناشی از تغییر آرایش تدریجی دانهها و حتی قدری ناپدید شدن آب باقیمانده در خاک بعد از تحکیم اولیه و تجزیهی مواد شیمیایی موجود در خاک میباشد. برای نشان دادن این پدیده بهگونهای تجربی، نمونه ای از خاک را سریعاً تحت بار ثابت بارگذاری کرده و تغییرشکل آن در طول زمان اندازه گیری می شود. در این آزمایش میزان بار ثابت بهصورت درصدی از مقاومت نهایی نمونه انتخاب می شود. از انجام این آزمایش که به آزمایش خزش معروف است، میتوان در حالت عمومی برای نمونههای مختلف خاک دارای رفتار خزش، منحنی مشابه شکل ۳-۲۳ را نتیجه گرفت.
شکل ۳-۲۳: منحنی رفتاری نمونه خاک در آزمایش خزش (هاول، ۲۰۰۴)
همانطور که در شکل ۳-۲۳ مشاهده می شود، سه ناحیه مختلف را میتوان در این منحنی از هم تفکیک کرد:
الف) ناحیه AB:
چنانچه مقدار بار ثابت وارد بر نمونه خاک، درصد کوچکی از مقاومت آن باشد، نمونه، رفتاری مطابق این بخش از منحنی خزش از خود نشان میدهد. بلافاصله پس از بارگذاری کرنش OA در نمونه ایجاد میگردد که به آن کرنش آنی میگویند. با توجه به بارگذاری سریع انجام شده، تغییرشکلهای زمانی در این ناحیه ناچیز است. پسازاین مرحله، با افزایش زمان، بر مقدار کرنش افزوده می شود. در ناحیه AB، شیب منحنی دارای یک روند کاهشی است. اگر در این بخش از منحنی، باربرداری سریع انجام گردد، مطابق قسمت B-C-D، ابتدا بلافاصله کرنش آنی از بین رفته و رفتار کشسان تابع زمان مشاهده می شود که به آن رفتار گرانرو کشسان یا ویسکوالاستیک میگویند. در این بخش از منحنی، پس از باربرداری هیچگونه تغییرشکل ماندگار در نمونه باقی نمیماند، لذا این قسمت از منحنی، ناحیه خزش میرا، خزش برگشتپذیر یا ناحیه خزش اولیه نامیده می شود.
ب) ناحیه BE:
اگر مقدار بار ثابت وارد بر نمونه خاک حدوداً بیش از ۵۰% مقاومت نهایی آن باشد، رفتاری مطابق این بخش از منحنی خزش دیده می شود. آهنگ افزایش کرنش با گذشت زمان در این ناحیه تقریباً خطی است، به همین علت آن را خزش پایدار مینامند. هنگام باربرداری رفتاری مطابق قسمت F-G-H مشاهده می شود. در این قسمت نیز بلافاصله پس از باربرداری، کرنش آنی از بین رفته و با گذشت زمان از مقدار کرنش کاسته می شود؛ اما هیچگاه کل مقدار کرنش باقیمانده در ماده به صفر نخواهد رسید؛ و نهایتاً مقداری کرنش دائمی در نمونه باقی میماند. این قسمت از منحنی، ناحیهی خزش خمیری یا خزش ثانویه نامیده می شود.
پ) ناحیه EI:
درصورتیکه مقدار بار ثابت وارد بر نمونه خاک حدوداً بیش از ۹۰% مقاومت نهایی آن باشد، رفتاری مطابق این بخش از منحنی خزش، مشاهده می شود. در این ناحیه آهنگ افزایش کرنش در زمان بسیار زیاد بوده و منحنی دارای شیب تندی با روند افزایشی میباشد. در این حالت در هر لحظه ممکن است نمونه مقاومت خویش را از دست داده و شکست حاصل گردد. این قسمت از منحنی، مرحله سوم خزش نامیده می شود. چگونگی رفتار ماده در این مرحله بهخوبی شناخته نشده است. در طراحی سازهها، بایستی بار به حدی نرسد که سازه رفتاری مطابق این بخش منحنی از خود نشان دهد.
پدیده خزش در مهندسی مکانیک خاک حائز اهمیت است و بایستی در شرایطی که اثر گذشت زمان وجود دارد، دقیقاً بررسی شود. نشست زمانی و بعضاً نامتقارن شالودهی سازهها بهویژه سازههای بزرگ احداثشده بر روی سطوح شیبدار، مشکلات فراوانی را ازجمله امکان ایجاد ترک، افزایش تنشها و تغییرشکلها در اعضای سازه و نهایتاً عدم کارایی و استفادهی مناسب از سازه را به همراه دارد. برای بررسی پدیده خزش در مهندسی مکانیک خاک، ابتدا بایستی رفتار حاصل از این پدیده را بهطور تجربی و آزمایشگاهی برای نمونه مورد نظر شناسایی نمود، سپس درصورت امکان با ارائه الگوی ریاضی به تحلیل و بررسی آن پرداخت.
۳-۸-۴- آزمایش خزش با دستگاه برش مستقیم
سادهترین تغییرشکل شامل تغییرشکل بدون تغییر حجم، ناشی از اعمال تنش برشی، بهطور عمومی، برش خالص نامیده می شود. در مورد مواد خاکی، برش خالص معمولاً در طبیعت رخ نمیدهد و سادهترین حالت تغییرشکل برشی، برش ساده است. تصویر نمونه خاک تحت برش ساده در شکل ۳-۲۴ آمده است. قابل مشاهده است که در برش ساده، تنشهای قائم ، و با دو تنش برشی و اعمال شده است و سایر مؤلفههای برشی برابر با صفر است؛ بنابراین در این مورد، نمونه خاک علاوهبر تغییرشکل (کرنش برشی)، کرنش حجمی، ناشی از تنشهای قائم، نیز از خود نشان میدهد.
شکل ۳-۲۴: نمودار حالت تنش در یک جزء خاک تحت برش ساده (هاول، ۲۰۰۴)
آزمایشهای برش ساده بهطور گستردهای در سراسر جهان در آزمایشگاههای ژئوتکنیک، برای ارزیابی مقاومت برشی و بررسی رفتار پس از اوج مورد استفاده قرار میگیرد. بهطورکلی آزمایش برش ساده، با عنوان آزمایش برش مستقیم و ابزار آزمایشگاهی مورد استفاده در این آزمایش، با عنوان دستگاه برش مستقیم شناخته می شود. تصویری از سادهترین نوع دستگاه برش مستقیم در شکل ۳-۲۵ نشان داده شده است. طرز کار کلی این آزمایش، در مورد مواد خاکی را میتوان به دو مرحله عمده تقسیم نمود. مرحله اول، اعمال تنش قائم بهمنظور تحکیم خاک است. بعد از تحکیم (در مورد آزمایش برش مستقیم، بهطور عمده منظور پایان تحکیم اولیه، یعنی زایل شدن فشار آب منفذی است)، نمونه بهتدریج برش داده می شود. بسته به ابزار، آزمایش برش مستقیم می تواند بهصورت کنترل کرنش یا کنترل تنش انجام شود. مزیت اصلی آزمایش برش مستقیم، سادگی آن است. آزمایشهای تحت برش ساده به بهترین صورت شرایط واقعی برش ممکن در ساختار خاک را منعکس مینمایند، زیرا این آزمایش شواهد متقاعدکننده و قابل رویتی را از گسیختگی برشی مهیا مینماید. اگر شرایط زهکشی بهخوبی حفظ شود، نتایج آن با نتایج بهدستآمده از آزمایشهای تراکمی در دستگاه سهمحوری تطابق کامل دارد (ماسلو[۸۹]، ۱۹۳۵). بااینحال، چندین عیب در آزمایش برش مستقیم وجود دارد که مهمترین آن این است که شرایط زهکشی قابلکنترل نیست و تنش برشی در صفحهی گسیختگی یکنواخت نیست (کرائیج[۹۰]، ۱۹۹۲).
شکل ۳-۲۵: نمایی از دستگاه برش مستقیم (داس، ۲۰۰۰)
انواع مختلفی از دستگاههای آزمایشگاهی توسعه یافته برای آزمایش خاکهای رسی تحت برش ساده وجود دارد. در کنار دستگاه برش مستقیم کلاسیک معرفیشده، دستگاه برش دوبل، دستگاه برش استوانهای، دستگاه برش حلقه، دستگاه پیچش برای آزمایش نمونههای توخالی یا جامد، برش آزاد یا برش استوانهای و غیره وجود دارد (مسچیان، ۱۹۹۵).
مسئلهی اصلی در مورد رفتار خزش برشی، ارزیابی تنشهای برشی حدی است، یعنی مقادیر تنشهای برشی محدودکنندهی رخ دادن خزش اولیه، ثانویه و مرحله سوم. برای پاسخ به این سؤال لازم است که رفتار مواد رسی در طول آزمایش خزش برشی، مورد بررسی قرار گیرد. مجموعه ای از منحنیهای تجربی خاک رسی بهدستآمده از آزمایش نمونههای یکسان تحت تنش برشی ثابت و مختلف در شکل ۳-۲۶ آمده است. بخشهای اولیه، ثانویه و مرحله سوم خزش برشی در این شکل به ترتیب با OA، AB و BC روی منحنی نشان داده شده است.
شکل ۳-۲۶: مجموعه منحنیهای خزش و منحنیهای به ترتیب برای مقادیر مختلف تنش برشی و زمان بر اساس آزمایشهای برش ساده (مسچیان، ۱۹۹۵)
بر اساس منحنی آهنگ جریان ( ) در مقابل تنش برشی ( )، نشان داده شده در شکل ۳-۲۶-a، دو مقدار تنش برشی حدی را میتوان برای توصیف تغییرشکل خزشی و مقاومت خاک رسی تعریف نمود:
-
- تنش برشی حدی اول ( ) که آغاز خزش ثانویه را توصیف می کند، یعنی در تنها خزش اولیه رخ میدهد.
-
- تنش برشی حدی ثانویه ( ) که آغاز خزش مرحله سوم را توصیف می کند، یعنی در تغییرشکل خزشی جمعشده، منجر به از دست رفتن مقاومت خاک رسی می شود. درنتیجه، دومین حد تنش برشی را میتوان حد مقاومت برشی نیز نامید.
در شکل ۳-۲۶-a یک حد تنش برشی تسلیم ( ) وجود دارد و معمولاً اختلاف کمی بین و وجود دارد، یعنی . با فرض این شرایط و انتظار آهنگهای خزشی کوچک در ، رابطه بین آهنگ جریان و تنش برشی که بین تنش برشی حدی اول و دوم باشد، می تواند توسط معادله شودوو- بینگهام توسط رابطه ۳-۱۲ برآورد شود:
(۳-۱۲)
که در آن: مؤلفهی غیرمحوشوندهی کرنش خزش برشی (کرنش خزش ثانویه) و ضریب ویسکوزیته (نیز ضریب تناسب) است. این رابطه، سادهترین معادله رئولوژیکی حالتی است که تغییرشکل خزش برشی خاکهای رسی را تحت برش ساده و بدون در نظر گرفتن کرنش آنی ( ) و کرنش محوشونده (خزش اولیه) توصیف مینماید (مسچیان، ۱۹۹۵).
آزمایشهای کاملی درباره رفتار خزش برشی با آزمایش مجموعه ای از نمونههای یکسان رس در دستگاه پیچش توسط مسچیان (۱۹۹۵) انجام شده است. مجموعه منحنیهای خزش بهدستآمده از یکی از این مطالعات در شکل ۳-۲۷ آمده است. در این آزمایشها، مواد رسی ابتدا در فشار متراکم شده است که بعداً تا مقدار ۰/۲ مگا پاسکال کاهش یافته است و تا تثبیت کامل (حدود یک ماه) در همین فشار باقیمانده است. سپس تنش برشی در مقادیر مطابق با سطوح مختلف بسیج برش ( ) که مقاومت مواد مورد آزمایش است، به آنها اعمال شده است. نتایج آزمایشها نشان داده است که در سطوح بسیج برش کوچک، ۰٫۱ تا ۰٫۴، تنها خزش اولیه مشاهده می شود. رخ دادن خزش ثانویه برای تنش برشی برابر با بسیج برش ۰٫۵ الی ۰٫۹ ثبت شده است. بااینحال مطابق پژوهش مسچیان، مقدار تغییرشکل برشی ناشی از خزش اولیه قابلتوجه است، حتی در سطوح پایین بسیج برش. بر اساس این نتایج میتوان گفت که خزش اولیه (خزش محوشونده) در طول آزمایش خزش برشی خاک رسی تحت برش ساده در حدود ۶۰% کل تغییرشکل خزشی است و نباید نادیده گرفته شود (بهجز در مورد خاکهای بسیار ضعیف). این بدان معنی است که معادله شودوو- بینگهام برای توصیف کلی رفتار خزش برشی، مناسب نیست.
شکل ۳-۲۷: مجموعه منحنیهای خزش در آزمایش برش ساده انجام شده توسط مسچیان
مطابق شکل ۳-۲۷ قابل مشاهده است که منحنیهای را میتوان توسط نمودار دوسویه که برای اولین بار توسط گیوس[۹۱] و جانگ کی[۹۲] برای رابطه در سال ۱۹۵۳ پیشنهاد شد، برآورد نمود. نقاط انحنای موجود در این منحنیها مطابق مقاومت سازهای خاک تحت برش ( ) است. بر اساس مطالعات آزمایشگاهی ثابت شده است که این مقدار تنش برشی تقریباً با حد تنش برشی اول برابر است، یعنی . بر اساس بررسیهای آزمایشگاهی مسچیان نشان داده است که برای خاکهای رسی، بهجز خاکهای خیلی ضعیف، حد مقاومت سازهای تحت برش تقریباً مستقل از مدتزمان آزمایش بوده و در محدوده قرار دارد (مسچیان، ۱۹۷۴؛ مسچیان، ۱۹۹۵).
۳-۹- الگوهای رفتاری تابع زمان مصالح
الگوی رفتاری مناسب که برای بررسی رفتار تابع زمان مصالح ارائه می شود، دو الگوی گرانرو کشسان و گرانرو خمیری میباشد. در بسیاری از مصالح، این دو گونه رفتار درهم آمیخته بوده و جداسازی آنها مطابق شکل ۳-۲۳ امکان پذیر نیست. در جهت دستیابی به روشی که در مهندسی قابل استفاده باشد، یک حالت عمومی از الگوهای رفتاری کشسان- گرانرو خمیری استفاده می شود. این الگوها در اغلب مسائل جوابگوی شرایط مهندسی مسئله بوده و قادر است تغییرشکلهای زمانی مواد را در قالب الگوی کشسان شناختهشده متعارف و یک الگوی گرانرو خمیری که محور اصلی تغییرشکلهای زمانی را به خود اختصاص میدهد، ارائه نماید. بررسی بخش گرانرو خمیری نیاز به شناخت صحیح رفتار تابع زمان مصالح دارد.
۳-۹-۱- الگوهای رفتاری سادهی مصالح
در این قسمت، سه الگوی رفتاری خیلی ساده معرفی می شود. بررسی این الگوها صرفاً بهمنظور درک رفتار مصالح در حالات مختلف میباشد. با ترکیب این الگوها به صورتهای سری و موازی، میتوان حالات مختلف رفتار مصالح را ارائه و بررسی کرد.
۳-۹-۱-۱- الگوی یک فنر
این الگو که نمودار رفتاری آن در شکل ۳-۲۸ نشان داده شده است، بیانگر رفتار کشسان ساده و خطی مصالح میباشد. مادهای که رفتار آن به این صورت الگوسازی می شود، ماده کشسان خطی نام دارد. در این الگو به ازای هر مرحله باربرداری کامل، تغییرشکل کاملاً صفر گردیده و هیچگونه تغییرشکل دائمی در مجموعه باقی نمیماند. خاصیت ارتجاعی فنر معمولاً با حرف نمایش داده می شود و بیانگر شیب نمودار نیرو در مقابل تغییرشکل مجموعه میباشد. در این حالت رفتار ماده هیچگونه وابستگی به تاریخچه اعمال تنش و کرنش نداشته و هیچگونه شکستی در ماده حاصل نمیگردد. هر یک از ضرایب رفتاری ماده در این حالت یک عدد ثابت میباشد.
شکل ۳-۲۸: الگوی یک فنر و نمودار نیرو-تغییرشکل آن (هاول، ۲۰۰۴)
۳-۹-۱-۲- الگوی یک لغزنده
این الگو در شکل ۳-۲۹ نشان داده شده است. در این الگو نیرویی مانند بر لغزنده وارد شده، با افزایش این نیرو تا مقادیر کوچکتر از ، هیچگونه حرکتی در مجموعه مشاهده نمی شود (ناحیه OA). بهمحض آنکه نیروی به مقدار برسد، قیود اصطکاکی موجود در لغزنده کاملاً از بین رفته و تغییرشکل زیادی مشاهده می شود (ناحیه AB). در این مرحله اگر مجموعه باربرداری شود از تغییرشکل آن بههیچوجه کاسته نشده و هیچگونه رفتار برگشتپذیری مشاهده نمی شود (ناحیه BC). ماده با اینگونه رفتار، ماده صلب خمیری نامیده می شود.
شکل ۳-۲۹: الگوی یک لغزنده و نمودار نیرو-تغییرشکل آن (هاول، ۲۰۰۴)
۳-۹-۱-۳- الگوی تغییرشکل زمانی (میراگر)
این الگو در شکل ۳-۳۰ نمایش داده شده است. مطابق این شکل، یک پیستون درون استوانهای قرار داشته و در سطوح تماسی آنها یک سیال لزج وجود دارد. با اعمال بار ثابت ، پیستون درون استوانه شروع به حرکت نموده و با گذشت زمان جا به جایی آن افزایش مییابد. بدین ترتیب با کاربرد مناسب این الگو میتوان رفتار مصالح را با گذشت زمان بررسی نمود. لزجت یا ویسکوزیتهی سیال در این الگو بهصورت نسبت تنش به آهنگ تغییرات کرنش در زمان تعریف میگردد و آن را معمولاً با حرف نمایش می دهند.
[چهارشنبه 1401-04-15] [ 05:55:00 ق.ظ ]
|