نوشته های مشابه
پدیده قوس زدگی خاک یا قوسی شدن یکی از عمومی‌ترین پدیده‌هاست که هم در خاک میدانی و هم در آزمایشگاه با آن روبرو هستیم. ترزاقی تاثیر قوسی‌شدن را انتقال فشار از توده تسلیم شده خاک به قسمت‌های ساکن مجاور تعریف کرد. به عبارت دیگر قوسی‌شدن ارتباط نزدیکی به مقاومت اصطکاکی وارد شده توسط حرکت نسبی در توده خاک دارد. وقتی یک قسمت از خاک تسلیم می‌شود در حالیکه قسمت‌های مجاور هنوز ساکن هستند، جنبش بین بخش تسلیم شده و ساکن باعث می‌شود تا تنش برشی ایجاد شود. این تنش برشی از حرکت نسبی توده خاک جلوگیری می‌کند. از آنجایی که مقاومت برشی تمایل دارد تا توده تسلیم شده را درموقعیت اصلی خود نگه دارد، بنابراین فشار روی بخش تسلیم شده را کاهش و در بخش ساکن مجاور افزایش می‌دهد. قوسی‌شدن می‌تواند به عنوان انتقال نیرو بین توده تسلیم شده و اجزای ساکن مجاور تعریف شود. قوسی‌شدن به بهترین شکل می‌تواند به عنوان یک انتقال دهنده نیرو بین توده تسلیم شده و اعضای ساکن مجاور تعریف شود. توزیع مجدد تنش در اعضای خاک صورت می‌گیرد و مقاومت برشی میل به نگه‌داشتن توده تسلیم شده در موقعیت اولیه خودش می‌کند و در نتیجه فشار در هر دو قسمت تسلیم شده محافظت شده و قسمت مجاور خاک تغییر می‌کند(ترزاقی ۱۹۴۳). اگر قسمت تسلیم شده به سمت پایین حرکت کند مقاومت برشی به سمت بالا عمل خواهد کرد و تنش در پایه توده تسلیم شده کاهش می‌یابد(شکل۱).
شکل۱ توزیع تنش در خاک بالای پایه تسلیم(برام و همکاران ۱۹۷۲، در سال ۱۹۸۴ توسط ایوانس بازبینی شد)
در مقابل اگر قسمت تسلیم شده به سمت بالا حرکت کند مقاومت برشی برای جلوگیری از آن به سمت پایین عمل خواهد کرد و باعث افزایش تنش در حفاظت از قسمت تسلیم شده خواهد شد. بسته به سختی نسبی در توده زمین قوسی‌شدن می‌تواند فعال یا غیرفعال باشد. قوسی‌شدن فعال زمانی رخ می‌دهد که سازه متراکم‌تر از خاک اطراف باشد، همانطور که در شکل (a)2 می‌بینید. زمانیکه سیستم تحت بارگذاری قرار می‌گیرد، توزیع تنش ایجاد شده در سرتاسر نقاط با ارتفاع اولیه برابر(صفحه AA و صفحه BB) مشابه چیزی است که در شکل (b)2 نشان داده شده است، که تنش روی سازه کمتر از زمین مجاور است. اگر سازه روی صفحه AA و BB به صورت یکنواخت تغییر شکل دهد تنش روی آن به دلیل تنش‌های برشی موجود در خاک به سمت پایین لبه‌ها میل پیدا می‌کند.
(a): جابجایی تحت فشار PS وقتی سازه متراکم‌تر از خاک اطراف است
(b): توزیع تنش در سرتاسر صفحه AA یا BB
شکل ۲ قوسی شدن فعال(ایوانس ۱۹۷۴)
در قوس زدگی خاک غیرفعال خاک متراکم‌تر از سازه است همانطور که در شکل (a)3 نشان داده شده در نتیجه خاک متحمل جابجایی‌های بزرگ می‌شود، مقاومت برشی بسیار با فشارهای کل روی ساختمان افزایش می‌یابد در حالیکه فشار در زمین اطراف در حال کاهش است. با فرض یکنواخت بودن تغییر شکل ساختار تنش در لبه‌ها بیشترین مقدار و در خط مرکزی کمترین مقدار است. توزیع تنش برای حالت غیرفعال در صفحه AA و BB در شکل (b)3 نشان داده شده است.
(a): جابجایی تحت فشار PS زمانیکه ساختمان کم تراکم‌تر از زمین اطراف است.
(b): توزیع تنش در سرتاسر صفحه AA یا BB
شکل ۳ قوسی شدن غیر فعال(ایوانس ۱۹۸۴)
اگر توده خاک و سازه خصوصیات ساختاری یکسانی داشته باشند، تنش در طول صفحه یکنواخت خواهد بود. تنش در طول جهت عمودی خطی است و با عمق افزایش می‌یابد(تنش‌های ژئوسنتتیک) به طوریکه هیچ قوسی در این حالت وجود ندارد. با توجه به تفاوت در خصوصیات مکانیکی مواد خاک(مثل خاک و سنگ) و اجزای سازه(مثل فولاد و بتن) این وضعیت بسیار بعید است که در طبیعت یا ساخته‌های بشری دیده شود.
قوس زدگی خاک در مواد دانه‌ای
دو سری تست‌های آزمایشگاهی روی شن و ذرات کروی تقریبا یک اندازه به ترتیب برای بررسی تشکیل قوس در مواد دانه‌ای با استفاده از دو دستگاه که در شکل ۱-۴ نشان داده شده انجام شد. سری اول تست، که می‌تواند به عنوان دریچه اصلاح شده بیان شود با استفاده از دستگاه A که در شکل (a)4 نشان داده شده با قرار دادن یک لایه از ذرات کروی یک اندازه روی صفحه پایه شیب‌دار انجام شد. چوب‌پنبه‌ای در پایین پایه صفحه با یک بخش قابل جابجایی در چوب‌پنبه به عنوان دریچه قرار داده شد تا از لغزش ذرات به سمت پایین جلوگیری کند. هنگامی که دریچه باز است اجازه می‌دهد تا ذرات به پایین حرکت کنند و ممکن است قوسی تشکیل شود. دومین سری تست شبیه تست دریچه معمولی تحت شرایط کرنش صفحه‌ای با عرض دریچه قابل تنظیم است. این ایده برای اولین سری از تست با استفاده از دستگاه A است که هیچ سلولی در جهت عمود بر صفحه ندارد و از این رو نفوذ اصطکاک لغزشی روی دانه‌های جریان به حداقل می‌رسد(تقریبا صفر).
- دستگاهی برای دانه‌های تک لایه‌ای یک اندازه
- دستگاهی برای تست دریچه
شکل ۴ دستگاه‌های تجربی برای دانه‌های تک اندازه و ماسه
تشکیل قوس زدگی خاک در یک لایه از ذرات تقریبا یک اندازه
ذرات تقریبا کروی ZrO2 (با قطر ۸/۲ تا ۳ میلی‌متر) و دانه‌های شیشه‌ای در اندازه‌های مختلف (۵/۲ میلی‌متر قطر) در سری A تست‌ها استفاده شدند. حالت بحرانی زاویه اصطکاک CV مواد مورد آزمایش از تست تراکم سه‌محوره در فشار محبوس KPa50 بدست آمد. تفاوت بین دانه‌های شیشه‌ای اندازه مختلف ذرات به دلیل کرویت و گردی ذرات مختلف است، از این رو ذرات بزرگتر کروی‌تر از ذرات کوچکتر هستند.
شکل ۵ و ۶ تصاویری از قوس‌های پایدار که در سری A تست‌ها تشکیل شده‌اند را نشان می‌دهند. برای عرض دریچه کمتر از ۴d(d قطر ذره است) وقتی دریچه باز است و ذرات درست بالای آن به سمت پایین در طول شیب پایه صفحه می‌لغزند، یک قوس استاتیکی پایدار بدون ایجاد لغزش ذرات تشکیل می‌شود حتی اگر ذرات هیچ چسبندگی نداشته باشند. زاویه انحراف یک قوس استاتیکی اولیه با چگالی مواد تغییر می‌کند. همانطور که در شکل (a)5 نشان داده شده قوس در حالت کلی یک زاویه انحراف ۶۰=α برای مواد متراکم دارد در حالیکه این زاویه در مواد نرم نسبتا کمتر است(شکل c5). اگر قوس پایدار اولیه با شروع جریان دانه‌ای فرو بریزد، ممکن است یک قوس پایدار جدید در طول جریان دانه‌ای تشکیل شود، اما زاویه قوس جدید کمتر می‌شود، تقریبا ۳۰درجه صرفنظر از چگالی مواد اولیه،همانطور که در شکل (b)5 و (c)5 نشان داده شده است. اگر چه زاویه انحراف ۶۰درجه هم برای قوس جدیدی که در طول جریان دانه‌ای تشکیل شده مشاهده شده است. مشاهدات مشابهی برای گروهی از دانه‌های شیشه‌ای که ذرات تقریبا یک اندازه با اندازه‌های متفاوت دارند انجام شده است(شکل ۶). همچنین در همه آزمایش‌هایی که مرز بخش بدون حرکت مواد با افق تقریبا زاویه ۰ ۶۰ با افق می‌سازد قابل ملاحظه است(شکل ۵). مقدار ۰ مقداری که معیار شکست مور-کولمب برای بخش بدون حرکت پیش‌بینی کرد سازگار است.قوس زدگی خاک
- قوس اولیه: مواد چگال
تشکیل دوباره قوس در طول جریان دانه‌ای
قوس اولیه مواد نرم
تشکیل دوباره قوس در طول جریان دانه‌ای
قوسی شدن در مواد غیرچسبنده یک اندازه(ذرات ZrO2)
قوس اولیه: مواد چگال
(b) تشکیل دوباره قوس در طول جریان دانه‌ای
قوسی شدن در مواد غیرچسبنده یک اندازه(دانه‌های شیشه‌ای، مواد نرم)
تست‌های بیشتر به منظور در نظر گرفتن شرایط مرزی با بررسی شکل‌گیری قوس درمحفظ همگرای صفحات انجام شد. هیچ تلاشی برای حداقل کردن اصطکاک بین دیوار و ذرات صورت نگرفت، از این رو انتظار می‌رود غلتیدن ذرات روی مرز در شکل‌گیری و فروپاشی یک قوس اثر داشته باشد. شبیه به آنچه که توسط جنیک مشاهده شد، الگوی جریان مواد دانه‌ای تا حد زیادی به نصف زاویه محفظه بستگی دارد که در شکل (a)7 نشان داده شد است. بسته به مقدار جریان دانه‌ای ممکن است به شکل جریان توده‌ای (مثل جریان در امتداد دیوار) یا جریان قیفی شکل در ذراتی که امتداد سطح بین زون جریان و زون بدون حرکت درون توده دانه‌ای جریان دارد اتفاق بیفتد. عرض و شکل قوسی پایدار با نصف زاویه تغییر می‌کند، همان طور که در شکل (a)7 نشان داده شده در یک صفحه عمودی و در صفحه دیگر شیب‌دار است. نتایج حاکی از این است که تشکیل قوس علاوه بر خصوصیات مواد به طور قابل توجهی تحت تاثیر شرایط مرزی است. پدیده‌های مشابه در دانه‌های شیشه‌ای مشاهده شده همان طور که در شکل (b)7 مشاهده می‌کنید. علاوه بر این انتظار می‌رود قوس زنجیره نیروی قوی باشد همان طور که در شکل (c)7 نشان داده شده به وضوح می‌توان نیروهای بین ذره‌ای را که در یک دسته از دیسک‌های فوتوالاستیک زمانیکه یک قوس پایدار در یک محفظه دوبعدی تشکیل می‌شود دید، که تایید می‌کند ظاهرا گرفتگی در دانه‌ها رخ داده زیرا ذرات در امتداد جهت تراکم زنجیره‌های نیرو تشکیل می‌دهند در حالیکه کمانش زنجیره‌های نیرو دلیل گیر نکردن و جریان مواد دانه‌ای است.
(a)ذرات ZrO2 با زاویه شیب صفحه های مختلف
(b)دانه‌های شیشه‌ای
(c)دیسک‌های فوتوالاستیک
شکل ۷ تاثیر شرایط مرزی روی تشکیل قوس در مواد غیرچسبنده یک اندازه (صفحه پایه شیب‌دار)
تشکیل قوس در تست دریچه
تست دریچه کلاسیک به منظور تشکیل قوس در مواد دانه‌ای انجام شد. در این تست‌ها ذرات را با استفاده از روش باران ماسه بین دو قطعه صفحه پلاکسی‌گلس که در شکل (b)4 نشان داده شد قرار دادند تا مطمئن شوند که توده دانه‌ای در ابتدا یکنواخت است. علاوه بر این دانه‌های شیشه‌ای و ذرات ZrO2، ماسه با یکنواختی متفاوت با ضریب یکنواختی کمتر از ۲، اما میانگین اندازه ذرات d50 (از ۴۵/۱ تا ۵/۲ میلی‌متر متغیر بود) استفاده شد. زاویه استراحت این مواد در رنج ۳۶ تا ۶۰درجه متغیر بود. شکل (a)8 تصویر قوس‌های پایدار را در مجموعه‌ای از ذرات ZrO2 چگال و نرم روی لبه فروریزش با عرض دریچه B نشان می‌دهد. ویژگی‌های قوس در شکل (a)8، هم عرض و هم شکل، به طور کلی با مشاهدات در یک تک لایه با ذرات تقریبا یک اندازه مطابقت دارد. شکل (b)8 قوس پایدار در ماسه با یکنواختی مختلف درست قبل از اینکه جریان دانه‌ای شروع شود را نشان می‌دهد. عرض بحرانی قوس (مثل عرض دریچه)، صرفنظر از تغییر اندازه دانه‌ها، شکل ذرات و نیروی اصطکاک بین آنها در رنج (۵/۵-۴) d50 متغیر است. تعیین تغییر زاویه انحراف قوس در ماسه به دلیل شکل نامنظم ذرات و اندازه کوچک قوس مشکل است.
مجموع ZrO2 ، B=5d
(b) ماسه درشت دانه B=(4 d50
شکل ۸ قوس مشاهده شده در مواد دانه‌ای غیرچسبنده در تست‌های دریچه
