مکانیک خاک پیشرفته دكتر علیرضا غنی زاده استاديار دانشكده مهندسي عمران-دانشگاه صنعتي سيرجان مراجع Budhu, Muni. SOIL MECHANICS AND FOUNDATIONS, (With CD). John Wiley & Sons, 3 rd edition, 2010. 2 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 1
سواالت مطرح منظور از مقاومت برشی خاک چیست عوامل مؤثر بر مقاومت برشی خاک كدامند مقاومت برشی چگونه تعیین میشود در معیار شکست مور-كلمب چه فرضیاتی در نظر گرفته شده است آیا خاکها در یک صفحه گسیخته می شوند اختالف بین زاویه اصطکاک حداكثر بحرانی و باقی مانده چیست مقاومت برشی حداكثر مقاومت برشی بحرانی و مقاومت برشی باقی مانده چیست آیا بین مقاومت برشی ماسه متراكم یا شل و رس عادي تحکیم یافته عادي یا پیش تحکیم یافته تفاوتی است اختالف بین مقاومت برشی زهکشیشده و زهکشینشده چیست تحت كدام شرایط باید پارامترهاي مقاومت برشی زهکشیشده یا مقاومت برشی زهکشینشده مورداستفاده قرار گیرد براي تعیین مقاومت برشی كدام آزمایشهاي آزمایشگاهی یا صحرایی به كار میروند اختالف بین آزمونهاي آزمایشگاهی و صحرایی مختلف چیست براي یک پروژه نوع آزمایش را چگونه میتوان تعیین كرد 3 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان تغییر شکل برشی ساده خاک (OCR<=2) ماسه شل و رسهاي تحکیم عادي یافته یا كمی یافته 4 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 2
تغییر شکل برشی ساده خاک ماسه متراكم و رسهاي بیش تحکیم یافته( OCR>2 ) 5 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان نمودار کرنش برشی در مقابل تنش برشی 6 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 3
نمودار کرنش برشی در مقابل کرنش قائم 7 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان نمودار کرنش برشی در مقابل نسبت تخلخل 8 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 4
تأثیر تنش مؤثر قائم بر نمودار تنش برشی 9 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان تأثیر تنش مؤثر قائم بر نمودار کرنش قائم 10 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 5
تأثیر تنش مؤثر قائم بر نمودار نسبت تخلخل 11 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان تأثیر تنش مؤثر قائم بر پوش گسیختگی 12 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 6
تحکیمی بیش نسبت اثرات سیرجان صنعتی دانشگاه پیشرفته خاک مکانیک 13 کلی نتایج در یافته( تحکیم كم و یافته تحکیم عادي رسهاي و شل )ماسه I نوع خاک تخلخل نسبت یک تا و شده كرنشی سختشدگی دچار بحرانی برشی تنش میشوند. فشرده بحرانی تنش یک به یافته( تحکیم بیش رسهاي و متراكم )ماسههاي II نوع خاکهاي دچار بحرانی برشی تنش به رسیدن تا سپس و رسیده )پیک( حداكثر برشی و حجم كاهش دچار ابتدا در ها خاک این همچنین میشوند. كرنشی نرمشدگی میشوند. حجم افزایش دچار بحرانی تخلخل نسبت به رسیدن تا سپس تنش باشد بزرگ نرمال مؤثر تنش كه صورتی در مییابد. كاهش حجم افزایش و شده ناپدید II نوع هاي خاک حداكثر برشی سیرجان صنعتی دانشگاه پیشرفته خاک مکانیک 14 7
نتایج کلی كلیه خاکها صرف نظر از حالت اولیه آنها به یک حالت بحرانی میرسند كه در آن برش پیوسته بدون تغییرات در تنش برشی و حجم اتفاق میافتد. در كرنشهاي بزرگ ذرات برخی رسهاي بیش تحکیم یافته به موازات راستاي باندهاي برش جهتدار میشوند و تنش برشی نهایی به دست آمده كمتر از تنش برشی بحرانی میشود. تنش برشی بحرانی و نسبت تخلخل بحرانی به تنش مؤثر نرمال بستگی دارند. تنشهاي مؤثر نرمال بزرگتر منجر به تنشهاي برشی بحرانی بیشتر و نسبت تخلخلهاي كمتر میشوند. 15 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان تأثیر بارگذاری زهکشی شده و زهکشی نشده (a) شرایطزهکشیشده (b) شرایطزهکشینشده 16 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 8
تأثیر بارگذاری زهکشی شده و زهکشی نشده 17 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان اجزاء تشکیل دهنده چسبندگی خاک نیروهاي بین مولکولی كشش خاک جسبندگی ناشی از سمانتهشدن 18 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 9
مقاومت برشی خاک بر اساس رابطه کولمب که τ f =T/A که T نيروی برش در لحظه لغزش و A مساحت صفحه به موازات نيروی T است. 19 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان توصیف رفتار کاهش و افزایش حجم در انواع خاک 20 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 10
شبیه سازی گسیختگی در ماسه متراکم 21 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان اثرات اتساع بر پوش گسیختگی کولمب زاویه افزایش اتساع بستگی به مقدار تنش نرمال دارد. تنش نرمال سبب كاهش زاویه اتساع میشود. 22 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 11
زاویه اتساع در دایره مور 23 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان نتایج کلی... گسیختگی بیان شود. خاکها برشی كولمب رابطه توسط میتواند اثر اتساع افزایش كولمب میباشد. پوش در انحناء ایجاد و خاک برشی مقاومت گسیختگی تنشهاي نرمال بزرگ از ایجاد اتساع جلوگیري میكنند. 24 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 12
معیار گسیختگی مور-کولمب 25 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان معیار گسیختگی مور-کولمب 26 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 13
نتایج کلی از تركیب دایره مور با قانون اصطکاک كولمب میتوانیم گسیختگی برشی را بر اساس حالت تنش خاک تعریف نماییم. معیار گسیختگی مور كلمب به صورت زیر است: گسیختگی با توجه به معیار گسیختگی مور-كولمب هنگامی اتفاق میافتد كه خاک به شیب تنش مؤثر حداكثر برسد: 27 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان معیار گسیختگی Treska 28 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 14
مثال 1- کاربرد معیار گسیختگی کولمب و تیلور يک ماسه خشک در دستگاه برش آزمايش شده است. نيروی برشي - جابجايي برشي به ازاء يک نيروی قائم 100N در شكل صفحه بعد نشان داده شده است. a) خاک ماسه شل است يا متراکم b) نيروی برشي حداکثر و نيروی برشي در حالت بحراني را مشخص و تعيين کنيد. c) زاويه اصطكاک حالت بحراني و حداکثر و زاويه اتساع حالت بحراني را با استفاده از مدل کلمب محاسبه کنيد. d) زاويه اتساع حداکثر را با استفاده از مدل تيلور تعيين کنيد. e) با فرض آنكه ماسه شل باشد تنش برشي حالت بحراني را به ازاء تنش مؤثر قائم 200kPa با استفاده از مدل کلمب تعيين کنيد. 29 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مثال 1- کاربرد معیار گسیختگی کولمب و تیلور 30 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 15
مثال 1- کاربرد معیار گسیختگی کولمب و تیلور گام 1: تعيين کنيد آيا خاک شل است يا متراکم. از آنجا که منحني يک اوج را نشان ميدهد خاک ماسه متراکم است. گام 2: نيروی برشي حداکثر و حالت بحراني را تعيين کنيد. 31 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مثال 1- کاربرد معیار گسیختگی کولمب و تیلور گام 3: مقادير نيروی برشي حداکثر و حالت بحراني را مشخص کنيد. گام 4: زوايه اصطكاک را تعيين کنيد. گام 5: زاويه اتساع حداکثر را با استفاده از مدل کلمب تعيين کنيد. 32 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 16
مثال 1- کاربرد معیار گسیختگی کولمب و تیلور گام 6: زاويه اتساع حداکثر را با استفاده از مدل تيلور تعيين کنيد. گام 7: تنش برشي حالت بحراني را محاسبه کنيد. 33 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مثال 2- کاربرد معیار گسیختگی موهر-کولمب يک نمونه استوانه ای خاک تحت تأثير تنش اصلي محوری 1 σ و تنش اصلي شعاعي 3 σ قرار گرفته است. زماني که σ 1 =300 kpa و σ 3 =100 kpa ميشود خاک ديگر تنشهای اضافي را تحمل نميکند. زاويه اصطكاک و زاويه صفحه لغزش را نسبت به امتداد افق تعيين کنيد. اثرات اتساع ناچيز فرض ميشود. 34 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 17
مثال 2- کاربرد معیار گسیختگی موهر-کولمب گام 1: cs φ را پيدا ميکنيم از رابطه )20-5( داريم: گام 2: ѳ راپيدا ميکنيم. ازرابطه )23-5( داريم: 35 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مثال 2- کاربرد معیار گسیختگی موهر-کولمب گام 3: تنش روی صفحه شكست را محاسبه ميکنيم. گام 4: ماکزيمم تنش برشي را محاسبه ميکنيم. گام 5: حداکثر تنش برشي را بررسي ميکنيم که برابر است با تنش برشي شكست. حداکثر تنش برشي از تنش برشي شكست بزرگتر است. 36 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 18
آزمایش های قابل استفاده برای تعیین مقاومت برشی خاک آزمایش برش مستقیم Test) (Direct Shear آزمایش سه محوري Test) (Triaxial آزمایش سه محوري واقعی Test) (True Triaxial آزمایش برشی استوانه توخالی پیچشی (Hollow cylindrical torsional shear test) 37 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان آزمایشهای میدانی برای تعیین مقاومت برشی خاک آزمایش برش پره( Test ( Shear Vane آزمایش نفوذ استاندارد (SPT) آزمایش نفوذ مخروط (CPT) آزمایش فشار سنجی meter) (Pressure 38 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 19
آزمایش برش مستقیم دو جعبه برشی فلزي كه نمونه آزمایش در داخل آنها قرار میگیرد. ضخامت نمونه آزمایش معموال 1 اینچ )25/4 میلیمتر( و مساحت آن در پالن 3 تا 4 اینچ مربع )1935/48 تا 2580/64 میلیمتر مربع( است. با استفاده از وزنههایی از باال نیروي قائم بر نمونه قابل اعمال است. مقدار تنش قائم وارده میتواند تا مقدار 1 نیوتن بر میلیمتر مربع )1000 كیلو نیوتن بر مترمربع( باشد. نیروي برشی توسط وزنههایی بر نیمه فوقانی جعبه برشی تا لحظه گسیختگی نمونه اعمال میشود. 39 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان آزمایش برش مستقیم 40 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 20
آزمایش برش مستقیم 41 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان آزمایش برش مستقیم 42 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 21
آزمایش برش مستقیم با کنترل تنش در آزمایش با كنترل تنش نیروي برشی اعمالی با افزودن وزنهها با گام مساوي تا لحظه گسیختگی نمونه افزایش داده میشود. شکست در امتداد صفحه جدایی دو نیمه فوقانی و تحتانی جعبه برشی رخ میدهد. بعد از اعمال هر افزایش بار توسط یک گیج تغییر مکان نیمه فوقانی جعبه برش اندازهگیري میشود. تغییر در ارتفاع نمونه ( هب عبارت دیگر تغییر حجم نمونه( با قرائت یک گیج كه تغییر مکان قائم نیمه فوقانی را اندازه میگیرد به دست میآید. 43 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان آزمایش برش مستقیم با کنترل تغییر شکل در آزمایش با كنترل تغییر شکل توسط یک موتور الکتریکی یک تغییر مکان برشی با سرعت ثابت بر نیمه فوقانی اعمال میشود. مقدار تغییر مکان برشی با قرائت یک گیج عقربه اي كه تغییر مکانهاي افقی را اندازهگیري می كند تعیین میگردد. نیروي برشی مقاوم نظیر هر تغییر مکان برشی توسط یک حلقه اندازهگیر افقی قابل اندازهگیري است. تغییر حجم نمونه توسط یک گیج قائم اندازهگیري میشود. 44 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 22
آزمایش برش مستقیم با کنترل تغییر شکل سودمندي آزمایش با كنترل تغییر شکل در این است كه به وسیله آن براي ماسه هاي متراكم هم مقاومت برشی حداكثر )در لحظه گسیختگی( و هم مقاومت برشی كمتري كه بعد از نقطه گسیختگی به وجود می آید و به مقاومت برشی نهایی موسوم است قابل مشاهده و اندازهگیري است. در آزمایش با كنترل تنش تنها مقاومت برشی حداكثر قابل مشاهده و تعیین است. البته با توجه به عدم پیوستگی و پله اي بودن افزایش بارگذاري تعیین مقاومت برشی حداكثر نیز با مقداري تقریب همراه است. با این وجود آزمایش با كنترل تنش مدل واقع آزمایش با كنترل تغییر شکل به دست میدهد. وضعیت از تري بینانه صحرایی به نسبت 45 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان نتایج آزمایش برش مستقیم 46 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 23
تعیین پارامترهای مقاومت برشی برای ماسه خشک 47 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان آزمایش مقاومت برشی بر روی ماسه و رس اشباع جعبه برشی كه نمونه خاک در داخل آن قرار دارد در میگیرد كه میتواند براي اشباع كردن نمونه با آب پر شود. داخل جاي محفظهاي آزمایش زهکشیشده به آزمایشی گفته میشود كه در آن سرعت بارگذاري روي نمونه آنقدر پایین است كه اجازه زهکشی و زایل شدن فشار آب حفره اي اضافی به وجود آمده در نمونه داده میشود. آب میشود. زهکشی آن پایین و باال در واقع متخلخل سنگ دو طریق از نمونه حفرهاي 48 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 24
آزمایش مقاومت برشی بر روی ماسه و رس اشباع 49 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان آزمایش مقاومت برشی بر روی ماسه و رس اشباع 50 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 25
آزمایش مقاومت برشی بر روی ماسه و رس اشباع 51 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان رابطه زاویه اصطکاک زهکشی شده و نشانه خمیری 52 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 26
مزایا و محدودیت های آزمایش برش مستقیم آزمایش برش مستقیم از نقطه نظر اجرایی نسبتا ساده است. در آزمایش برش مستقیم اجازه داده نمیشود كه خاک در امتداد ضعیف ترین صفحه گسیخته شود و گسیختگی اجبارا در صفحه جدایی دو نیمه فوقانی و تحتانی جعبه برش رخ میدهد. همچنین توزیع تنش برشی در روي سطح گسیختگی یکنواخت نیست. علیرغم این عیوب آزمایش برش مستقیم خاکهاي ماسه اي خشک و اشباع است. و سادهترین اقتصاديترین براي آزمایش انجام آزمایش برش مستقیم در حالت زهکشینشده بر روي رس نتایج دقیقی نمیدهد. 53 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان تعیین زاویه اصطکاک خاک و سایر مصالح ساختمانی = C a چسبندگي δ = زاويه مؤثر چسبندگي بين خاک و مواد پي 54 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 27
تعیین زاویه اصطکاک خاک و سایر مصالح ساختمانی 55 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مثال 3 نتایج آزمایش جعبه برش براي دو نمونه از یک خاک ولی با وزن مخصوص اولیه متفاوت در جدول زیر داده شده است. نمونه A بر عکس نمونه B مقادیر تنش برشی حداكثر از خود نشان نداد. مقادیر زیر را تعیین كنید. φ cs (a B در نیرو هاي قائم 200 و 400 نیوتن براي نمونه φ p b) B زاویه اتساع در نیروهاي قائم 200 و 400 نیوتن براي نمونه c) 56 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 28
مثال 3 گام 1: برای هر نمونه دياگرام نيروهای قائم را در برابر نيروهای افقي گسيختگي رسم زير ميکنيم. شكل φ cs گام 2: cs φ را استخراج ميکنيم. تمام نقاط پياده شده برای نمونه A روی يک خط مستقيم گذرنده از مبدأ مختصات قرار ميگيرند. نمونه A يک خاک غير قابل اتساع احتماال يک ماسه شل يا يک رس تحكيم يافته عادی ميباشد. زاويه اصطكاک مؤثر برابر 30 = ميباشد. 57 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مثال 3 گام 3: p φ را تعيين ميکنيم. نيروی افقي در 200 و 400 نيوتن برای نمونه B روی خط مستقيم نظير ندارند. بنابراين هر يک از اين نيروها برای خود يک φ p دارند. φ cs قرار گام 4: αp را تعيين ميکنيم. 58 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 29
مثال 3 اطالعات ثبت شده در يک آزمايش جعبه برش روی نمونه ماسه به ابعاد 3 10 10 سانتيمتر با نيروی قائم ثابت 1200 نيوتن در جدول زير داده شده است. عالمت منفي نشان دهنده انبساط قائم است. a) اوال نمودار نيروهای افقي در برابر تغيير مكانهای افقي و ثاني ا تغيير مكانهای قائم را در برابر تغيير مكانهای افقي رسم کنيد. b) آيا اين رفتار را نظير رفتار ماسه متراکم يا ماسه شل تشخيص ميدهيد جواب خود را توضيح دهيد c) )1( تنش برشي بيشينه )2( تنش برشي حالت بحراني )3( زاويه اتساع حداکثر )4( p φ و )5( cs φ را تعيين کنيد. 59 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مثال 3 60 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 30
مثال 3 گام 1: دیاگرام را رسم میكنیم شکل هاي روبه رو را ببینید. گام 2: نمونه یک نیروي افقی حداكثر از خود نشان داده و انبساط پیدا كرده است پس ماسه متراكم است. گام 3: مقادیر خواسته شده را استخراج میكنیم. سطح مقطع نمونه A=10 10= 100 cm 2 =10-2 m 2 است. 61 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مثال 3 62 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 31
آزمایش برش سه محوری آزمایش برش سه محوري یکی از قابل اعتمادترین روشها براي تعیین پارامترهاي مقاومت برشی خاک است كه از آن براي انجام تحقیقات و آزمایشهاي الزم در كارهاي معمول مهندسی خاک استفاده میشود. در این آزمایش معموال از یک نمونه خاک به قطر 1/5 اینچ )3/81 میلیمتر( و ارتفاع 3 اینچ )7/62( میلیمتر استفاده میشود. نسبت ارتفاع به قطر نمونه برابر با 2 است. اگر تنش محوري بیش از تنش محدود كننده باشد میگوییم آزمایش سه محوري فشاري و اگر تنش محدود كننده بیش از تنش محوري باشد میگوییم آزمایش كشش سه محوري. تنشهاي وارده تنشهاي اصلی میباشند و شرایط بارگذاري متقارن محوري است. 63 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان آزمایش برش سه محوری 64 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 32
آزمایش برش سه محوری 65 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان محاسبه پارامترها در آزمایش برش سه محوری تنش كل محوري اختالف تنشها )تنش انحرافی( كرنش محوري كرنش شعاعی كرنش حجمی اختالف كرنش )كرنش انحرافی ) تنشانحرافی ) 3 q=(σ.تنشبرشی τ=q/2 1 -σ كه در آن P z عبارت از نیروي قائم A سطح مقطع نمونه خاک r 0 شعاع اولیه نمونه خاک r تغییر شعاع V 0 حجم اولیه V تغییر حجم H 0 ارتفاع اولیه و z تغییر ارتفاع میباشد. نیروي قائم را به نام نیروي انحرافی و تنش نظیر آن تنش انحرافی ) 3 q=(σ 1 σ- مینامند. 66 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 33
محوری سه های آزمایش انواع )CD )آزمایش زهکشیشده آزمایش یا زهکشیشده یافته تحکیم آزمایش )آزمایشCU ( زهکشینشده یافته تحکیم آزمایش آزمایش تحکیم نیافته زهکشینشده یا آزمایش زهکشینشده یا آزمایش )UU )آزمایش سریع آزمایش یا زهکشینشده سیرجان صنعتی دانشگاه پیشرفته خاک مکانیک 67 c محوری سه های آزمایش انواع ( = q) تنشانحرافی c c c c آیاشیرهايزهکشیبازاست تحکیمنیافته yes c no تحکیمیافته تنشانحرافی آیاشیرهايزهکشیبازاست yes no زهکشیشده زهکشینشده تنشدورگیریاتنشجانبی c + q سیرجان صنعتی دانشگاه پیشرفته خاک مکانیک 68 34
انواع آزمایش های سه محوری آیاشیرهايزهکشیبازاست آیاشیرهايزهکشیبازاست yes no yes no زهکشینشده زهکشیشده تحکیمنیافته تحکیمیافته CD test UU test or UC CU test 68 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان آزمایش فشاری تک محوری برای رس اشباع 70 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 35
آزمایش فشاری تک محوری برای رس اشباع 71 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مقاومت فشاری زهکشی نشده و چسبندگی خاک های رسی 72 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 36
کاربردهای آزمایش فشاری محدود نشده تخمین ظرفیت باربري كوتاه مدت خاکهاي ریزدانه براي پیها. تخمین پایداري كوتاه مدت شیروانیها. ( هب مقایسه مقاومت برشی خاکهاي دلیل ارزان بودن این آزمایش( پذیري تغییر براي محل یک خاک مقاومت تعیین مشخصات تنش كرنش تحت شرایط بارگذاري سریع )زهکشینشده( 73 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مثال 4 یک آزمایش فشاري محدود نشده روي یک نمونه خاک رس اشباع انجام گرفته است. حداكثر نیرویی را كه خاک رس تحمل كرده است برابر با 127 نیوتن و تغییر مکان قائم برابر با 0/8 mm بوده است. نمونه داراي قطر 38mm و طول 76mm است. مقاومت برشی زهکشینشده را تعیین كنید. دایره مور تنش را براي این آزمایش رسم كرده و Su را مشخص كنید. 74 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 37
مثال 4 گام 1: مساحت نمونه را در لحظه گسيختگي تعيين ميکنيم. قطر D 0 =38mm و طول H 0 =76mm گام 2: تنش اصلي بزرگ را در لحظه گسيختگي تعيين ميکنيم. S u گام :3 را محاسبه ميکنيم. 75 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مثال 4 گام 4: دايره مور را رسم ميکنيم. شكل زير را مالحظه کنيد. مقادير استخراج شده از اين نمودار به صورت زير ميباشند: (σ 3 ) f = 0 (σ 1 ) f = 111 kpa S u = 56 kpa 76 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 38
کاربردهای آزمایش فشاری محدود نشده تعيين آزمايش اين انجام از هدف پارامترهای برشي زهكشي شده منظور به خاک تحليل بارگذاری بلند مدت يک توده خاک است. 77 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان آزمایش سه محوری تحکیم یافته-زهکشیشده (CD) 78 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 39
آزمایش سه محوری تحکیم یافته-زهکشیشده (CD) 79 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان فاز تحکیم ایزوتوپ مراحل انجام آزمایش مرحله 1: مرحله 2: فاز برش 80 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 40
مسیر تنش در آزمایش تحکیم یافته-زهکشیشده (CD) 81 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان محاسبات در آزمایش تحکیم یافته-زهکشیشده (CD) 82 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 41
نتایج آزمایش تحکیم یافته-زهکشیشده (CD) 83 مکانیک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان پوش گسیختگی در آزمایش زهکشیشده برای رس پیش تحکیم یافته 84 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 42
مثال 5 نتايج سه آزمايش CD روی يک خاک در حالت گسيختگي به صورت زير ميباشند. اندازه اوليه نمونه 38mm قطر و 76mm طول ميباشد. a) زاويه اصطكاک را برای هر آزمايش تعيين کنيد. E و E s را در تنش برشي بيشينه برای آزمايش 1 به دست آوريد. τ cs τ p (b φ cs c) را تعيين کنيد. α p d) را برای آزمايش 1 تعيين کنيد. 85 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مثال 5 نتایج تفصیلی برای آزمایش 1 به صورت زیر است. عالمت منفی نشان دهنده )انبساط( تورم است. مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 86 43
مثال 5 گام 1: زوایاي اصطکاک را تعیین میكنیم. براي انجام محاسبات از جدول زیر استفاده میكنیم. به طریق دیگر دوایر مور را رسم كرده و زوایاي آزمایش هاي شماره 1 و شماره 2 تعیین میكنیم. مطابق شکل را اصطکاک صفحه بعد براي 87 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مثال 5 88 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 44
مثال 5 مقادير τ cs τ p را با رسم اختالف تنشها در برابر کرنش محوری برای آزمايش شماره 1 تعيين ميکنيم. سطح اوليه برابر است با 89 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مثال 5 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 90 45
مثال 5 مقادیر τ cs τ p را استخراج میکنیم مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 91 مثال 5 E گام 3: E و E s را تعيين ميکنيم شيب مختصات تا 2 τ p مقدار E s را ميدهد. مبدأ از شده رد خط شيب و مقدار شكل ابتدای گام 4: cs φ را تعيين ميکنيم تنش انحرافي و تغيير حجم از حدود 10% = 1 ε ثابت ميرسد ميتوان از نتيجه 11% = 1 ε برای تعيين استفاده نمود. (σ 3 ) cs =100kpa نظر به φ cs گام 5: α p را تعيين ميکنيم. مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 92 46
آزمایش سه محوری تحکیم یافته-زهکشینشده (CU) آزمایش برش سه محوري Cu متداولترین نوع آزمایش سه محوري است. در این آزمایش نمونه خاک اشباع ابتدا توسط فشار محفظهاي همه جانبه )شیرها باز است(. σ 3 تحکیم مییابد پس از زایل شدن كامل اضافه فشار آب حفرهاي ) 3 U) c =Bσ تنش انحرافی ) d (Δσ افزایش مییابد تا جایی كه باعث گسیختگی خاک شود. در حین آزمایش فشار آب حفرهاي و تنش انحرافی به صورت همزمان قرائت میشوند. پارامتر بی بعد اسکمپتون به صورت زیر قابل محاسبه است. 93 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان گام 1: فاز تحکیم ایزوتروپ بنابراین مراحل انجام آزمایش و تنش ها در هر مرحله گام 2: فاز برش 94 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 47
محاسبات 95 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مسیر تنش در آزمایش CU مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 96 48
نتایج آزمایش CU 97 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان پوش گسیختگی در آزمایش CU 98 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 49
مثال 6 يک آزمايش CU بر روی يک نمونه خاک رس اشباع انجام شده است. برای اين منظور با اعمال يک فشار سلولي 150kPa و سپس اعمال بارهای قائم تدريجي ضمن ثابت نگه داشتن فشار سلولي خاک به طور ايزوتروپ تحكيم داده ميشود. گسيختگي وقتي مشاهده ميشود که تنش قائم اعمال شده برابر با 160kPa و فشار آب حفره ای برابر با 54kPa ثبت شده است. مطلوب است تعيين (a) Su و (b). φ cs جواب خود را با ترسيم دايره مور برای تنشهای کل و تنش مؤثر نشان دهيد. 99 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مثال 6 گام 1: تنشها را در گسيختگي محاسبه کنيد. گام 2: مقاومت برشي زهكشينشده را تعيين ميکنيم: مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 100 50
مثال 6 گام 3: cs φ را تعيين ميکنيم گام 4: دايره مور را رسم ميکنيم. شكل صفحه بعد را ببينيد. مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 101 مثال 6 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 102 51
آزمایش تحکیم نیافته زهکشینشده (UU) مرحله 1: فاز فشردگي ايزوتروپ ( هن تحكيم( مرحله 2: فاز برش مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 103 مسیر تنش در آزمایش تحکیم نیافته زهکشینشده (UU) مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 104 52
پوش گسیختگی در آزمایش تحکیم نیافته زهکشینشده (UU) مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 105 پارامترهای فشار آب حفرهای اسکمپتون که در آن σ 3 افزايش تنش اصلي جانبي σ 1 σ - 3 افزايش تنش انحرافي B ضريبي است که درجه اشباع را نشان ميدهد و A ضريب اضافه فشار آب حفره ای است. ضريب B برای خاکهای اشباع برابر 1 و برای خاکهای خشک برابر صفر است. البته B به جز در درجه های اشباع زياد (90%<S) به طور مستقيم با درجه اشباع همبستگي ندارد. در موقع گسيختگي داريم. که در آن ud عبارت است از تغيير در اضافه فشار آب حفره ای ناشي از تغييرات در تنشهای برشي انحرافي است. نتايج تجربي A f که توسط اسكپتون )1954( ارائه شده است در جدول صفحه بعد نشان داده شده است. ضريب A به نسبت پيش تحكيمي (OCR) بستگي دارد. تغييرات A f نسبت به OCR در شكل صفحه بعد نشان داده شده است. مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 106 53
پارامترهای فشار آب حفرهای اسکمپتون مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 107 پارامترهای فشار آب حفرهای اسکمپتون در طول تحكيم ايزوتروپ σ. 1 σ = 3 و رابطه باال ميشود: اگر خاک اشباع شده باشد 1=B و. u σ = 3 108 111 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 54
مثال 7 يک نمونه خاک مكعبي با اضالع 50mm در يک آزمايش برش ساده با حجم ثابت تحت يک بار قائم (Pz) برابر 50N و بار افقي (Px) برابر 375N و يک بار برش (T) برابر 150N گسيخته ميشود. اضافه فشار آب حفره ای ايجاد شده در لحظه گسيختگي برابر با 60kPa ميباشد. دواير مور را برای تنشهای کل و مؤثر رسم کنيد. زاويه اصطكاک و مقاومت برشي زهكشينشده را با فرض اينكه خاک غيرقابل اتساع ميباشد تعيين کنيد. تنشهای گسيختگي را تعيين کنيد. مقادير تنشهای مؤثر اصلي و زاويه محور اصلي تنش بزرگتر را نسبت به افق تعيين کنيد. تنشهای برشي و عمودی را در صفحه ای که با افق زاويه 20 درجه در جهت عقربه های ساعت ميسازد بدست آوريد. (a (b (c (d (e 109 108 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان مثال 7 گام 1: تنشهای کل و مؤثر را تعيين ميکنيم. 110 109 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 55
مثال 7 111 110 مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان آزمایش سه محوری واقعی مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 112 56
آزمایش برشی سیلندر توخالی مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 113 آزمایش برشی سیلندر توخالی تنش قائم وارده بر يک عنصر نوعي خاک در اين دستگاه برابر است با: اگر فشار شعاعي داخلي و خارجي برابر باشند با: تنش برشي وارده برابر است با: مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 114 57
آزمایش برش پره که در آن T حداکثر لنگر پيچشي h ارتفاع و d قطر پره مي باشند. مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 115 آزمایش نفوذ استاندارد SPT یک چکش به وزن 63/5 كیلوگرم از ارتفاع 760 میلیمتر رها میشود. این فرایند را تا زمانی كه نمونهگیر تا عمق 450 میلیمتر نفوذ كند تکرار می كنیم. تعداد ضربه هاي مورد نیاز چکش را براي هر 150 میلیمتر نفوذ یادداشت می كنیم. مقدار N را با مجموع شمار ضربه براي آخرین نفوذ 300 میلیمتر تعیین میكنیم. مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 116 58
آزمایش نفوذ استاندارد SPT مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 117 آزمایش :SPT پارامترهای اندازهگیری شده مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 118 59
آزمایش :SPT پارامترهای اندازهگیری شده مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 119 آزمایش :SPT همبستگی Cubrinovski and Ishihara (1999) Kulhawy and Mayne (1990) مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 120 60
آزمایش :SPT همبستگی Wolff (1989) Kulhawy and Mayne (1990) مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 121 دو نوع مخروط CPT وجود دارد: مکانیکی و الکتریکی. بیشتر مخروط هاي CPT داراي یک شمارنده پیش نصب شده براي اطمینان از نفوذ عمودي مخروط می باشند. مخروط معمولی داراي رأس 60 درجه با سطح مقطع عرضی 1000 یا 1500 میلیمتر است. CPT معمولی میتواند مقاومت نوک و مخروط آزمایش نفوذ مخروط اصطکاک جداره را اندازهگیري كند. با یک یا چند سنسور فشار آب CPTu یا پیزوكان نامیده میشود. مخروط به طور مداوم توسط یک جک هیدرولیک با سرعت 20 میلیمتر در ثانیه تحت فشار قرار میگیرد. قرائت هر 10 تا 50 میلیمتر انجام میشود. مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 122 61
آزمایش نفوذ مخروط مزایاي CPT عبارتند از: میتواند اطالعات بیشتري به دست آورد )دو یا چند پارامتر( میتواند پروفیل هاي مداوم و یکپارچه خاک را دریافت نماید. با این وجود نمونه برداري از خاک ندارد و براي خاکهایی كه حاوي ذرات بزرگ مانند شن هستند غیرقابل اعتماد است. مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 123 آزمایش نفوذ مخروط: پارامترهای اندازهگیری شده مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 124 62
آزمایش نفوذ مخروط: طبقه بندی خاک مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 125 آزمایش نفوذ مخروط: طبقه بندی خاک مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 126 63
آزمایش نفوذ مخروط: همبستگی Kulhawy and Mayne (1990) Kulhawy and Mayne (1990) Salgado (2006) مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 127 آزمایش نفوذ مخروط: همبستگی Kulhawy and Mayne (1990) تنشپیشتحکیمرس Soil Elastic Modulus Estimated by CPT Tip Resistance مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 128 64
آزمایش برش پره آزمایش برش پره از جمله آزمایشهاي رایج براي تعیین مناسب مقاومت برشی زهکشینشده خاکهاي رس است. آزمایش برش پره یک آزمایش خوب در محل است كه به طور مستقیم مقاومت برشی زهکشینشده رس ا به خصوص رسهاي نرم را تعیین می كند. روند اصلی آزمایش شامل موارد زیر است: یک پره فلزي را درون خاک قرار دهید. پره را با نرخ 60 درجه در دقیقه بچرخانید تا خاک بریده بریده شود. حداكثر گشتاور را در طول چرخش یادداشت كنید. مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 129 آزمایش برش پره مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 130 65
آزمایش برش پره پره صاف پره مخروطی مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 131 آزمایش برش پره بجریوم )1972( دریافت كه در آزمایش هاي برش پره مقاومت برشی زهکشینشده رس در مقایسه با محاسبات دوباره خاكریز ناكارا بزرگتر است. حساست خاک مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 132 66
آزمایش برش پره مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 133 آزمایش برش پره مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 134 67
آزمایش برش پره geomaterial pressuremeter modulus مکانیک خاک خاک پیشرفته دانشگاه صنعتی سیرجان 135 68