تعیین پارامترهای دینامیکی خاک با آزمایش های آزمایشگاهی
در این نوشتار به آزمایش هایی که در محیط آزمایشگاه انجام می شوند تا پارامترهای دینامیکی خاک را تعیین کنند می پردازیم. با ما همراه باشید.
در آزمایش هاي آزمايشگاهي امكان ارزيابي مستقيم رفتار تنش – كرنش هيسترزيس خاك فراهم می گردد، از اين رو آزمايش هاي آزمايشگاهي بهترين نوع آزمایش ها جهت برآورد پارامترهای دینامیکی خاک به شمار مي آيند. اما در عين حال آزمایش هاي آزمايشگاهي دینامیکی با محدوديت هايي بدين شرح نیز همراه هستند :
- از بین رفتن شرایط تنش برجا و مشكلات مربوط به ايجاد دوباره این تنش ها در زمان آزمایش
- مشكلات مربوط به اخذ نمونه هاي دست نخورده از خاك هاي دانه ای و بازسازي نمونه هاي دست خورده
- زمان و هزينه مربوط به آزمایش هاي آزمايشگاهي دینامیکی
پیشنهاد مطالعه: آشنایی با میرایی هیسترزیس و رایلی با نمودارهای مربوطه
متداول ترین آزمایش های آزمايشگاهی كه در برآورد پارامترهای دینامیکی خاک توسعه يافته اند به اختصار عبارتند از :
آزمايش ستون تشدید
در آزمايش ستون تشدید به منظور تعيين پارامترهای دینامیکی خاک، از تئـوري انتشار موج در یک میله استفاده مي شود. در اين آزمایش هر دو نوع موج برشي و فشاری می توانند در نمونه خاك انتشار داده شوند. بسته به نوع نمونه گیر، نمونه هاي توپر يا توخالي می توانند در آزمايش استفاده شوند.
تصویر 1 – دستگاه آزمایش ستون تشدید (Resonant Column Test) جهت تعیین پارامترهای دینامیکی خاک
جهت برآورد پارامترهاي سرعت موج فشاري و يا برشي، بارگذاری فشاري و يا پیچشي به صورت سينوسـي از طريـق كلاهك بالايي به بالاي نمونه اعمال و تغییر شکل بالايي نمونه در طول آزمایش اندازه گیری می شود. در ادامه بارگذاري با فركانس هاي مختلف انجام و تا زمان بروز پديده تشديد در نمونه ادامه مي یابد. بدين ترتیب سرعت موج از طريق فركـانس تشديد و خصوصیات هندسي نمونه و دستگاه اعمال بار قابـل محاسـبه خواهـد بـود. در اين آزمـايش همچنین امكـان اندازه گیری میرايي در مصالح با استفاده از قطع بارگذاري در هنگام تشديد و ثبـت دامنـه كـاهش نوسـانات، وجـود دارد. كاهش دامنه با زمان به منظور تعيين كاهش لگاریتمی که به صورت مستقيم به ضريب میرايي ویسكوز مرتبط است، به كار مي رود.
اشكال عمده در استفاده از آزمايش ستون تشدید، محدود بودن آزمايش به كرنش هاي برشي بسيار كوچك تا متوسط به علت ملاحظات بار اعمالي و فركانس هاي تشديد مي باشد. به علاوه در كرنش هاي بزرگ، به منظور حفظ كـرنش ثابـت در مقطع نمونه بايد از نمونه هاي توخالی استفاده شود. بنا به اين دلایل، آزمايش ستون تشديد بیشتر جهت تعيين مدول برشي در كرنش هاي كوچك به كار مي رود. همچنين این آزمايش می تواند براي تعيـين تغييـرات مـدول برشـي و میرایی ویسكوز معادل، در كرنش هاي میانی نیز مورد استفاده قرار گيرد. آزمايش ستون تشدید با استفاده از اسـتاندارد ASTM D4015 قابل انجام است.
آزمایش المان خمشی
وقتي يك نیروي مكـانيكي بـه مصـالح پيزوالكتريـك ماننـد سـراميك وارد می شـود قطب هاي كريستالي تغيير یافته و ولتاژ الكتريكي ایجاد مي شود؛ همچنين وقت ولتاژ الكتريكـي بـه ايـن مصـالح اعمـال می شود، كريستال ها تغيير فرم می دهند. اساس آزمايش المان خمشي بر اين مبنا استوار است. المان خمشي در واقع شامل دو قطعه نازك است كه در بالا و پايين نمونه خاك قرار مي گیرند. یک سيگنال الكتریكي در بـالاي نمونـه باعـث حركت خمشي در نمونه مي گردد و موج برشي سینوسی از بالاي نمونه به سمت پايين ارسال می شود و توسط يك اسیلوسـكوپ سیگنال الكتريكی در پايين نمونه رصد مي شود. با اندازه گیری تاخير زمانی بين امواج ارسالی و دریافت شـده و همچنـين طول مسير (نمونه)، سرعت موج برشي حداكثر نمونه خاك و در نتيجه مدول برشي حداكثر تعيين می گردد.
تصویر 2 – دستگاه آزمایش المان خمشی (Bender Element Test)
آزمایش سه محوری تناوبی
آزمايش سه محور تناوبي به منظور ارزيابي رفتار تناوبي خاك ها مورد استفاده قرار مي گیرد. در اين آزمایش ابتدا نمونه به صورت همسان در سلول سه محوري، تحكيم یافته و سپس بـا اعمـال تـنش تفاضلي تحت برش استاتيكي قرار مي گيرد. در ادامه، بارگذاري دینامیکی به صورت بار محوري تناوبي منجر به قرارگيري نمونه در حالت كشش و فشار می شود.
تصویر 3 – دستگاه آزمايش سه محوری تناوبی (Cyclic Triaxial Test)
اين آزمایش به هر دو صورت كنترل تنش و كنترل كرنش قابل انجام است. در حالت كنترل تنش، هدف بررسي تغييرات گسيختگي نمونه و يا ارزیابي روانگرايي در مصالح است كه براساس استاندارد ASTM D5311 صورت مي پذيرد. درحالت دوم، هدف برآورد پارامترهاي دیناميكي شامل مدول برشي و میرايي است كه مطابق اسـتاندارد ASTM D3999 انجام مي شود.
اشكال عمده در آزمایش هاي سه محوري تناوبی، عدم تطابق كامل آن با وضعيت تنش ایجاد شده در اثر زمین لرزه در داخل محيط خاكی می باشد. برخي از مهم ترين اشكالات عبارتند از:
1 . در آزمايش سه محوري، نمونه آزمایشگاهي به صورت همسان تحكيم می يابـد، در حالي كـه نمونـه هـاي خـاك در محيط واقعی در شرايط سكون و یا K0 تحكيم یافته اند.
2 . تغيير جهات تنش هاي اصلي در زمان زلزله به صورت پيوسته انجام مي گيرد، در حالي كه در آزمـايش سـه محـوري جهات تنش هاي اصلي فقط 0 يا 90 درجه است.
3 . تنش عمودي متوسط در محل تقريباً ثابت است در حالي كه در آزمايشگاه تنش عمودي متوسـط بـه طـور تنـاوبي تغيير می كند.
آزمايش برش ساده تناوبی
آزمایش برش ساده سیکلی (تناوبي) می تواند دقيـق تـرين پارامترهای دینامیکی خاک را براي انتشار قائم موج برشي در خاكريزهايي با لایه بندي افقی در مقايسه با ساير آزمایش های آزمايشـگاهی ارائـه دهـد. دستگاه برش تناوبي ساده اصولاً به دو شكل مختلف ساخته مي شود. يكي شامل جعبه مستطيل شكل و دیگري به صورت حلقه هاي فلزي قرار گرفته بر روي هم كه در هر دو حالت، این قالب ها نمونه خاك را احاطـه كـرده و مـانع از تغيير شـكل جانبي نمونه در حين آزمایش می شود. همچنين دستگاه شامل تنظيماتي براي اعمال بار قائم ثابت و يا ثابت نگهداشـتن ارتفاع نمونه در حين اندازه گیری بار قائم بوده و قابليت اعمال بار برشي تناوبي به صورت افقي را داراست.
تصویر 4 – دستگاه آزمایش برش ساده تناوبي (Cyclic Simple Shear Test)
آزمايش برش ساده پيچشي
آزمايش برش ساده پيچشي به منظور تعیین پارامترهای دینامیکی خاک و غلبه بر برخي محدودیت هـاي آزمـايش برش ساده تناوبي و آزمایش هاي سه محوري تناوبي ابداع گردیده است.
در اين آزمایش نمونه ها به شكل سيلندري ساخته مي شوند كه در آن نسبت شعاع خارجي به داخلي با نسبت ارتفـاع خارجي به داخلي مساوي و تقریبا برابر با 2 می باشد. اين نمونه تیوپ شكل، تضمين كننده كرنش برشي نسبتاً يكنواختي در راستاي افقي در كل نمونه مي باشد. آزمايش برش ساده يچشي مزاياي زیادي نسبت به آزمایش برش ساده تنـاوبي و آزمایش هاي سه محوري تناوبي دارد كه عبارتند از :
- امكان فراهم كردن شرايط تنش (كرنش) در محل مانند آزمایش برش ساده تناوبي وجود دارد.
- اعمال تنش هاي افقي و قائم به صورت مستقل امكان پذير است.
- این امكان در انجام آزمايش فراهم شده تا تنش عمودي هشـت وجهـي (Octahedral Normal Stress) در طـول آزمايش بدون تغيير باقی بماند.
تصویر 5 – دستگاه آزمایش برش ساده پيچشی (Torsional Simple Shear Test)
اين آزمايش معایبی نیز دارد از جمله اينكه تفسير نتایج كمي پيچيده بوده و تعريف روانگرايي در آن، امكـان ارتبـاط نتايج آزمایش برش ساده پیچشي را با نتايج سایر آزمایش ها نمي دهد. همچنـين شـكل نمونـه آزمايشـي، باعـث صـعوبت استفاده از این دستگاه براي كاربردهاي معمول مهندسي شده چرا كه تهيه نمونه هاي دست نخـورده بـدين شـكل تقريبـاً غیر عملي می باشد.
