مطالعه تجربی رفتار تنش- اتساع مخلوط‌های ماسه- لای غیراشباع و اعتبار سنجی مدلهای رفتاری مرتبط - دانشکده فنی و مهندسی
مطالعه تجربی رفتار تنش- اتساع مخلوط‌های ماسه- لای غیراشباع و اعتبار سنجی مدلهای رفتاری مرتبط
نوع: Type: رساله
مقطع: Segment: دکتری
عنوان: Title: مطالعه تجربی رفتار تنش- اتساع مخلوط‌های ماسه- لای غیراشباع و اعتبار سنجی مدلهای رفتاری مرتبط
ارائه دهنده: Provider: عرفان چالی - مهندسی عمران
اساتید راهنما: Supervisors: دکتر محمد ملکی
اساتید مشاور: Advisory Professors:
اساتید ممتحن یا داور: Examining professors or referees: دکتر علی پاک، دکتر وحیدرضا اوحدی، دکتر علیرضا باقریه
زمان و تاریخ ارائه: Time and date of presentation: ساعت 10 - 1404/4/23
مکان ارائه: Place of presentation: اتاق مجازی
چکیده: Abstract: رفتار تنش- اتساع یکی از عوامل کلیدی در تحلیل ویژگی‌های مکانیکی خاک‌های ماسه‌ای است که لازم است از طریق روابط ریاضی در مدلهای رفتاری لحاظ شود. خاک‌های ماسه‌ای معمولاً حاوی مقادیر مختلفی ریزدانه هستند که تأثیر قابل‌توجهی بر خصوصیات مهندسی آن‌ها می‌گذارند. به‌منظور توصیف بهتر این تأثیر، پارامترهای نسبت تخلخل بین دانهای و ریزدانهای معادل معرفی شده‌اند که ارتباط میان ویژگی‌های خاک را تسهیل می‌کنند. تحلیل رفتار تنش- اتساع در مخلوط‌های غیراشباع پیچیده است، زیرا علاوه بر درصد ریزدانه، مکش بافتی نیز بر آن تأثیرگذار است. به دلیل کمبود تحقیقات در این زمینه، تأثیر ترکیبی ریزدانه و مکش در این مخلوط‌ها همچنان ناشناخته باقی مانده است. از این‌رو، در این پژوهش تلاش شده است تا با شناسایی و بررسی وضعیت‌های کلیدی مانند نقطه اوج، فاز انتقالی و حالت بحرانی، رفتار تنش- اتساع مخلوط‌های ماسه- لای غیراشباع به‌طور جامع تحلیل شود. در همین راستا، یک مدل رفتاری توسعه یافته است که می‌تواند تأثیرات هم‌زمان درصد ریزدانه و مکش را در تحلیل رفتار این مخلوط‌ها در نظر بگیرد. این پژوهش در دو بخش اصلی آزمایشگاهی و توسعه مدل رفتاری، با هدف بررسی ویژگی‌های رفتاری و فیزیکی نمونه‌های ماسه در شرایط مختلف تنش و مکش، انجام شده است. در بخش آزمایشگاهی، نمونه‌های ماسه با مقادیر مختلف ریزدانه (صفر، 10، 30، 40، 60، 80 و 100 درصد) تهیه و آماده‌سازی شدند. برای بخش درشت‌دانه از ماسه فیروزکوه و برای بخش ریزدانه از پودر سنگ استفاده شد. پس از آماده‌سازی نمونه‌ها، مجموعه‌ای از آزمایش‌های مکانیکی بر روی آن‌ها انجام گرفت تا رفتار آن‌ها تحت شرایط مختلف تنش و مکش مورد بررسی قرار گیرد. در این راستا، آزمایش‌هایی همچون آزمایش صفحه فشاری و آزمایش سه‌محوری در شرایط اشباع و غیراشباع، به‌منظور تعیین ویژگی‌های مقاومتی و رفتار غیرخطی نمونه‌ها در برابر تغییرات مکش و درصد ریزدانه، اجرا شد. آزمایش‌های سه‌محوری در تنش‌های همه‌جانبه 50، 100، 150 و 200 کیلوپاسکال و مکش‌های صفر، 15، 30 و 60 کیلوپاسکال انجام گرفت. نتایج آزمایش‌ها نشان داد که منحنی‌های نگهداشت خاک-آب وابستگی قابل‌توجهی به مقدار ریزدانه دارند. در یک مکش مشخص، درجه اشباع با افزایش مقدار ریزدانه افزایش می‌یابد که این امر نشان‌دهنده تأثیر ریزدانه‌ها در افزایش ظرفیت نگهداشت آب است. همچنین، عدد ورودی هوا و مکش باقی‌مانده با افزایش درصد ریزدانه افزایش می‌یابند. کمترین مقادیر این پارامترها مربوط به ماسه تمیز و بیشترین مقادیر مربوط به لای خالص است که نشان می‌دهد علاوه بر نسبت تخلخل، بافت خاک نیز تأثیر مستقیمی بر منحنی نگهداشت خاک- آب دارد. با استفاده از رابطه پیشنهادی و در نظر گرفتن منحنی نگهداشت خاک- آب ماسه با مقدار ریزدانه آستانه به‌عنوان منحنی مرجع، یک منحنی نگهداشت منحصربه‌فرد برای حالت‌های fc ≤ fcth و fc > fcth به‌دست آمد. نتایج آزمایش‌های سه‌محوری در سه وضعیت فاز انتقالی، اوج و حالت بحرانی بررسی شدند. این نتایج نشان داد که خطوط حالت بحرانی وابسته به درصد ریزدانه و مکش هستند و پراکندگی داده‌ها در این خطوط می‌تواند تحلیل رفتار خاک را پیچیده کند. برای کاهش این پیچیدگی، از رویکردهای مختلف نرمال‌سازی استفاده شد. این نرمال‌سازی‌ها موجب شدند که داده‌های تجربی به یک خط حالت بحرانی مرجع همگرا شوند و امکان ارائه روابط یکپارچه برای تحلیل رفتار مکانیکی مخلوط‌های ماسه- لای فراهم گردد. با استفاده از خطوط حالت بحرانی نرمال‌شده بر حسب مکش و درصد ریزدانه، امکان بیان مقاومت‌ها در وضعیت‌های فاز انتقالی و اوج به‌صورت تابعی از پارامتر حالت معادل فراهم شد. تحلیل منحنی‌های تنش- اتساع نشان داد که علاوه بر مقدار ریزدانه، مکش و تنش همه‌جانبه نیز بر تغییرات اتساع و مقاومت نمونه‌ها تأثیر دارند. استفاده از پارامتر حالت معادل در رابطه تنش- اتساع کارایی این پارامتر را تحت تأثیر قرار نداد و باعث شد که با استفاده از یک دسته پارامتر، رفتار تغییر حجمی تمامی مخلوط‌های ماسه- لای بیان شود. برای توسعه مدل رفتاری در این پژوهش، از مدل دافالیاس و منظری (Dafalias and Manzari, 2004) استفاده شد که در ابتدا برای حالت اشباع طراحی شده بود. این مدل با اعمال تغییراتی به حالت غیراشباع گسترش یافت. توسعه مدل از طریق تعریف تنش مؤثر، ایده‌آل سازی منحنی نگهداشت خاک- آب و نرمال‌سازی خط حالت بحرانی انجام شد. نتایج به‌دست‌آمده از مدل توسعه‌یافته با داده‌های آزمایشگاهی و همچنین نتایج مدل پایه بارسلونا (BBM) که در نرم‌افزار Plaxis پیاده‌سازی شده، مقایسه شدند. این مقایسه نشان داد که مدل توسعه‌یافته به‌طور مؤثر رفتار مقاومتی و تغییرات حجمی خاک را در شرایط زهکشی شده و زهکشی نشده شبیه‌سازی می‌کند. در حالی که BBM فاقد توانایی پیش‌بینی رفتار گسیختگی و نرم‌شدگی نمونه‌ها است، مدل توسعه‌یافته قادر به شبیه‌سازی این رفتارها است. حداکثر اختلاف مدل ارتقاء‌یافته با داده‌های آزمایشگاهی برای تغییرات مقاومت نهایی 5± درصد و برای تغییرات حجمی نهایی 10± درصد بود، در حالی که BBM در پیش‌بینی این رفتارها به ترتیب اختلافی در محدوده 10- الی 15 و 120- الی 30 درصد داشت. با اعمال نرمال‌سازی‌های انجام‌شده، مدل برای توصیف رفتار خاک ماسه- لای غیراشباع بهینه‌سازی شد. از مهم‌ترین مزایای این مدل، امکان تعیین پارامترهای مدل پایه برای یک مخلوط مشخص ماسه- لای و یک مکش بافتی معین است که می‌توان آن را برای سایر مخلوط‌ها و مقادیر مکش نیز تعمیم داد. این ویژگی ناشی از استفاده از مفهوم نسبت تخلخل معادل و نرمال‌سازی روابط بر اساس مکش بافتی و درصد ریزدانه است. در نهایت، نتایج نشان داده شد که مدل توسعه‌یافته توانایی شبیه‌سازی دقیق جنبه‌های مختلف رفتار خاک، شامل رفتار اتساعی، مقاومت برشی حداکثر، ناحیه انتقالی و حالت بحرانی را دارا است.