دانلود مقاله تنش موثرخاک

در خاک های خشک و غیر مرطوب اشباع ، تنش کل وتنش مؤثر باهم برابر است ، اما در خاک های مرطوب و اشباع به علت وجود نیروی ارشمیدس تنش کل با تنش موثر با هم برابر نمی باشد و از تنش مؤثر مقداری کاسته می شود ، و همان طور که بعدا اثبات می شود این مقدار برابر با فشار آب حفره ای یا منفذی می شود .

چنانچه فشار آب آنقدر زیاد باشد که با تنش کل برابر گردد ، در این حالت تنش موثر صفر بوده و خاک حالت بی وزنی پیدا می کند .

تنش موثر یک کمیت قابل اندازه گیری نمی باشد و باید از طرفین به دست آید ، طبق تعریف به مجموع مولفه های قائم نیروهای وارده به سطح جامد خاک در واحد سطح تنش موثر گفته می شود .

که A سطح مقطع خاک می باشد .

= مجموع سطح مقطع ذرات خاک : از آنجایی که مجموع سطح مقطع ذرات جامد خاک را با نشان دهیم .

سطح مقطعی که توسط آب اشغال می شود است و طبق تعریف ، تنش کل از رابطه زیر به دست می آید : چون نسبت کوچک و قابل صرفه نظر است داریم : ارتفاع آب داخل پیزومتر =h مثال 5-1 ) مطلوبست تنش موثر در نقطه A ؟

( =وزن مخصوص غوطه وری) نکته ) تنش موثر در هر نقطه به ارتفاع ستون از سطح آزاد آب بالای آن بستگی ندارد .

مثال 5-2 ) مطلوبست تعیین تنش موثر در نقاط A وA' و مقایسه آنها باهم ؟

محاسبه تنش مؤثر 1.حالت بدون وجودجریان 2.جریان به سمت بالا 3.جریان روبه پایین باتوجه به معادلات فوق ، همان طور که دیده می شود در جریان رو به پایین و به بالا به اندازه به فشار آب حفره ای اضافه و کم می شود چنانچه این مقدار در سطح مقطع خاک ضرب گردد و بر حجم خاک تقسیم گرددد نیروی تراوش در واحد حجم خاک به دست می آید : همان طور که ملاحظه می شود بردار نیروی نشت هم جهت با گرادیان هیدرولیکی و طبق رابطه هم جهت با سرعت می باشد به عبارت دیگر ، نیروی نشت در جهت سرعت عمل می کند .

توضیح : نقطه اضافه شده و به همین مقدار نیز از تنش موثر کاسته می شود .

تنش موثر در هر نقطه به گرادیان هیدرولیکی بستگی دارد .

چنانچه i زیاد باشد، حالتی به وجود می آید که تنش موثر صفر می شود .

در این حالت خاک به صورت بی وزن درآمده و با اندک جریان آبی از داخل خاک شسته شده و همراه آب بیرون می آید برای اغلب خاکها بین .90 تا 1.1 می باشد که به طور میانگین 1 فرض می شود.

به همین منظور که ارتفاع پرده آب بند زیر سد های خاکی معمولا به اندازه ارتفاع آب پشت سد انتخاب می شود ، زیرا با وجود این شرایط طول مسیر جریان افزایش پیدا کرده و گرادیان هیدرولیکی موجود کاهش می یابد و ضریب اطمینان در برابر جوشش که از رابطه زیر به دست می آید ، بزرگ شده و خطر جوشش کاهش می یابد .

مثال 5-3 ): در شکل زیر ارتفاع H چقدر باشد تا پدیده piping اتفاق نیفتد ؟

شروع جوشش در تراز نقطه A می باشد در لحظه ای که شروع جوشش در تراز نقطه A می باشد در لحظه ای که مثال 5-4 ) با توجه به شکل مطلوب است تعیین تنش موثر در نقاط A و B؟

برای نقطه A برای نقطه B چون در لایه پایین ماسه تحت فشار آرتزین می باشد آب به سمت بالا در حرکت است و برای بدست آوردن فشار آب حفره ای در نقطه B باید از رابطه برنولی استفاده کرد ضریب اطمینان در برابر جوشش : زمانی که گرادیان هیدرلیکی زیاد باشد ، امکان شسته شدن مصالح ریز دانه ( ماسه ریز و سیلت ) در مقابل جریان آب وجود دارد ، یعنی اگر یا F.s=1 کم باشد امکان شسته شدن و ایجاد پدیده جوشش در خاکهای ریز دانه غیر چسبنده فوق ، وجود دارد .

اما برای خاکهای چسبنده غیر رسی به علت وجود نیروی چسبندگی بین ذرات هر چند ضریب اطمینان در مقابل جوشش کم باشد ، اما پدیده جوشش اتفاق نمی افتد .

ضریب اطمینان در مقابل جوشش خیلی زیاد است و بین 4 تا 5 انتخاب می شود ، زیرا در صورت بروز پدیده جوشش کانال های آبی از زیر سد یا پرده سپر باز شده و آب از آن نواحی تخلیه می گردد .

پدیده جوشش در پایین دست سدهای خاکی و مخصوصاپرده سپرها اتفاق می افتد .

و طبق تجربیات به دست آمده ضریب اطمینان در مقابل جوشش در پایین دست سپرها در فاصله ای حدود از زیر سپر محاسبه می شود و وزن غوطه وری در این ناحیه ،باید بتواند در مقابل نیروی نشت مقابله کند .

=وزن غوطه وری در محدوده مورد نظر = نیروی نشست در واحد حجم برابر است با گرادیان هیدرولیکی میانگین .

روش دیگر برای کاهش خطر جوشش : استفاده از مصالح فیلتری می باشد .

فیلتر مصالح ، دانه ای است ، که باید دو شرط زیر را هم زمان ارضاء کند : 1.دانه بندی فیلتر طوری می باشد که آب از داخل آن عبور کند .

2.دانه بندی فیلتر طوری باشد که جلوی شسته شدن خاک را بگیرد .

موئینگی( Capillary ) در دانه های ریز دانه خاک ، شامل ماسه ریزدانه ، رس و سیلت به علت نیروی کشش سطحی آب ، آب از داخل حفره های خاک شبیه به لوله های به هم پیوسته هستند بالا آمده و نسبت تراز آب زیرزمینی در تراز بالاتری قرار می کیرد ، از آنجایی که این ناحیه دچار کشش موئینیه شده و فشار آب نسبت به جومنفی می باشد باید در محاسبات تنش موثر این ناحیه مورد توجه قرار گیرد .

برای خاکهای بالای سطح آب زیر زمینی کل ناحیه کاملا اشباع نمی باشد ، بلکه تا یک محدوده چنانچه آب در آن به طور کامل بالا بیایدخاک اشباع بوده وبرای بقیه نواحی، خاک اشباع کامل نمی باشد .

ارتفاع صعود D قطر لوله های موئین و فشار آب حفره ای از رابطه زیر به دست می آید : تذکر ) برای حالتی که در حال موئینگی می باشد باید فشار آب حفره ای را در دو حالت بالا وپایین سطح موئینگی بدست آوریم.

مثال 5-5 ) با توجه به شکل مطلوب است تنش موثر در نقاط Aو BوC و رسم پروفیل مربوطه ؟