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.

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...