توزیع تنش در خاک
تأثیر فشار ناشی از فونداسیون، خاک زیر آن در اعمـاق مختلـف، تحـت افـزایش تـنش قـرار مـیگیـرد. افزایش خالص در تنش خاک، بستگی به بار وارد بر واحد سطح تماس شالوده، عمـق و فاصـله نقطـه مـورد مطالعه از شالوده و چند عامل دیگر دارد. با تأثیر سربار، تنشهای فشاری در لایههای خاک به وجود آمـده و باعث فشرده شدن آن میشود. فشردگی خاک ناشی از تغییر شکل فشاری و جابجـایی ذرات خـاک، رانـده شدن هوا و آب از حفرات خاک و عوامل دیگر است. در یک خـاک بخـصوص، یـک یـا تعـدادی از عوامل فوق ممکن است مشارکت داشته باشند. از آنجایی که فشرده شدن خاک باعث نشست سازۀ واقع بـر روی آن میشود، از نقطه نظر مهندسی به این پدیده، نشست خاک میگویند. برای محاسـبات نشـست، لازم است افزایش خالص تنش قائم خاک به علت احداث شالوده تعیین شود. با استفاده از تئوری الاستیسیته، اصول تعیین افزایش تنش قائم در خاک مورد بررسی قرار میگیرد. اگرچه نهشتههای طبیعی خـاک در اکثـر حـالات کـاملاً همگـن، ایزوتروپیک (همسانگرد) و الاستیک (کشسان) نیستند، ولی محاسبات انجام شده برای تعیین افزایش تـنش با استفاده از تئوری الاستیسیته نتایج نسبتاً خوبی برای کارهای عملی به دست میدهد.
بارهای ناشی از یک سازه از طریق پی، به خاک منتقل میشود. در طراحـی هـر پـی دو شـرط پایداری زیر باید تامین شود.
- پی نباید فرو بریزد، یا زیر هر بارگذاری قابل تصور ناپایدار شود.
- نشست سازه باید در داخل محدوده مجاز باشد. اغلب نشست در طرح پیهای کم عمق تعیین کننده هستند. اگر مقدار نشست پـس از مقـادیر حداکثری بیشتر باشد، عملکرد پی در هالهای از ابهام قرار گرفته و بـرای سـازه اصـلی خطـر جـدی محسوب میشود.
عوامل بسیاری در مقدار نشست پی موثر هستند که از جمله آنها میتوان به هندسه پـی (طـول و عرض)، عمق پی، مشخصات خاک زیر پی و نهایتاً بار اعمالی از طرف سازه به پی اشاره کرد. با تاثیر سربار، تنشهای فشاری در لایه خاک بوجود آمده و باعث فشرده شدگی و نهایتـاً باعـث نشست خاک و سازه فوقانی میشود. یکی از مسایل مهم در تحلیلهای نشست خاک بدست آوردن پروفیل معتبر تنش ناشـی از بـار اعمال شده و چگونگی توزیع تنش مربوطه است. در این راستا قوانین گوناگونی با فرضیات مختلـف بدست آمده، کـه از آن جملـه روش شـیب ۲ بـه ۱، روش بوسینـسک، روش و سـترگارد و … هستند.
بعد از محاسبه مقدار تنش حاصـل از بارگـذاری و اسـتفاده از روشهـای موجـود تخمـین نشست، میتوان مقدار نشست را محاسبه کرد. از طرفی تجربیات و آزمایشها به خوبی بیانگر رفتـار الاستوپلاستیک خاک است. در واقع خاک را نمیتوان الاستیک تصور نمود و معـادلات بـه دسـت آمده از فرض الاستیک، بسیاری از جنبههای رفتاری خاک را در بر نخواهـد داشـت. جهـت تعـدیل این ضعف و دقت بیشتر نتایج محاسبات و معادلات، بسته به نوع هر مسئله مـیتـوان از مـدلهـای رفتاری کاملتری مانند مدلهای الاستیک غیر خطی یا الاستوپلاستیک استفاده کرد.
نشست خاک
نشستهای پی را باید با دقت زیادی برای ساختمانها، پلها، برجها، نیروگاهها و سازههـای پرهزینـۀ مـشابه تخمین زد. در سازههایی همچون خاکریزها، سدهای خاکی، بنـدهای خـاکی، سـپرکوبی مهاربنـدی شـده و دیوارهای حایل معمولاً حاشیۀ خطای بزرگتری برای نشست وجود دارد. به جز در مواردی که به طور تصادفی پیشبینیها با واقعیت منطبق باشند، محاسبات نشست خاک را تنها میتوان به بهترین شکل از تغییر شکل قابل انتظار پس از اعمال بار تخمین زد. در زمان نشـست حالـت تـنش فعلی جسم (یا وزن خود) خاک تحت تأثیر بار اضافی اعمال شده به حالت جدیـدی تبـدیل مـیشـود. تغییـر تنش q∆ ناشی از این بار اضافی به تجمع زمانی غلتش، لغزش، خردشدگی و تغییر شکلهای الاستیک ذرات در منطقۀ محدود نفوذ در زیر سطح بارگذاری منجر میشود. تجمع آماری ایـن حرکـات در جهـت مـورد نظر نشست نام دارد.
انواع نشست خاک
نشست کلی پی از سه عامل نشست آنی یا الاستیک، نشست ناشی از تحکیم و نشست ناشـی از خـزش تشکیل میشود. نشست ناشی از خزش اغلب در خاکها قابل صرفنظر کردن است. لذا برای تعیین نشست کافی است که نشست آنی و نشست تحکیم محاسبه شود. نشست نسبی و نامتقارن شالودههـای یـک بنـا بـه مراتب از نشست تمام شالودهها (نشست کل) مهمتر است چراکه میتواند منجر به خسارات جـدی در سـازه شود. نشست سازه در خاکهای درشت دانه عموماً از فرمولهای تجربی بدست میآیـد. نشـستهـا در ایـن خاکهـا اغلـب بـه سـرعت و در حـین سـاخت و پـس از اعمـال حـداکثر بـار اتفـاق مـیافتـد. از آنجائی کـه نفوذپذیری خاکها اعم از سیلت و رس کم بـوده، وقـوع نشـست در آنهـا پـس از بارگـذاری کنـد بـوده و پیشبینی نشست در این خاکها از اهمیت خاصی برخوردار است.
نشست تحکیمی
یک نشست وابسته به زمان است و از دو قسمت تشکیل میشود. یکی نشست تحکـیم اولیه که علت وقوع آن، خروج آب حفرهای از میان حفرات خاک به علت اضافه فشار تحمیل شده بر آنهـا است و دیگری نشست تحکیم ثانویه است که بعد از نشست تحکیم اولیه رخ میدهد و علت آن لغزش و تغییر جهت ذرات خاک روی یکدیگر است. نشست تحکیم اولیه در رسـهای غیرآلـی و خـاکهـای رسـی لایدار مهمتر از نشست تحکیم ثانویه آنهاست ولی در خاکهای آلی درست برعکس است.
مفاهیم تحکیم
وقتی که یک لایۀ خاک اشباع تحت تأثیر افزایش تنش قرار گیرد، فشار آب حفرهای به طور ناگهـانی افزایش مییابد. در خاکهای ماسهای که نفوذپذیری بالاست، زهکشی ناشـی از افـزایش فـشار آب حفـرهای سریعاً انجام میشود. زهکشی آب حفرهای همراه با کاهش حجم تودۀ خاک بوده کـه نتیجـۀ آن ایجـاد نشست است. به علت زهکشی سریع آب حفرهای در خاکهای ماسـهای، نشـست تحکـیم و آنـی در آنهـا بـه طور همزمان رخ میدهد. وقتی که یک لایه خاک رس اشباع، تحت تأثیر افزایش تنش قرار گیرد، ابتدا نشست آنی رخ میدهد. اما از آنجایی که ضریب نفوذپذیری رس به طور قابل ملاحظهای کوچکتر از ضریب نفوذپذیری ماسه است، زهکشی آب حفرهای سریعاً انجام نشده و زایل شدن اضافه فشار آب حفرهای ناشی از بارگـذاری، بـه طـور تدریجی و در یک زمان طولانی رخ میدهد. بنابراین کاهش حجـم خـاک به مدت طولانی بعد از بارگذاری و نشـست آنـی، ادامـه خواهـد داشـت. در خاکهـای رسـی نـرم، نشست تحکیم چندین برابر نشست آنی است.
نشست آنی
نشست ناشی از پی بلافاصله بعد از احداث شالوده رخ میدهد و باید برای تمام خاکها محاسـبه شـود. ایـن نشست به صلبیت شالوده، ابعاد شالوده، مدول الاستیسیته و ضـریب پواسـون خـاک و عمـق شـالوده بـستگی دارد. این نوع نشست عمدتاً مربوط به خاکهای درشت دانه و ریز دانه غیر اشباع بوده و در خـاکهـای ریزدانه که درصد اشباع آنها بیشتر از ۹۰ درصد است نشست آنی ناچیز بوده و مـیتـوان از آن صـرف نظـر کرد.
شالودۀ انعطافپذیر و سخت
نشست آنی یا الاستیک یک شالوده، بلافاصله بعد از اعمال بار، بدون تغییر در میزان رطوبت به دست میآید. مقدار نشست تماسی بستگی به انعطافپذیری شالوده و نوع مصالح پی دارد. وقتی که یک شالوده کاملاً انعطاف پذیر با بار گسترده در روی مصالح الاستیک نظیر رس اشـباع قـرار گیرد، به علت نشست الاستیک شکل مقعر به خود میگیرد، ولی اگـر شـالوده سخت باشد و در روی مصالح الاستیک نظیر رس قرار گیرد، نشست حاصـل یکنواخـت خواهـد بـود. ولـی توزیع مجددی در تنش تماسی حاصل شده و از حالت یکنواخت خارج میشود.
در ماسۀ بدون چسبندگی، ضربی الاستیسیته با عمق افزایش مییابد. به علاوه فقدان محـدودیت جـانبی در سطح زمین در لبههای شالوده وجود دارد. در نتیجه ماسه در لبههای شالودۀ شـکلپـذیر بـه سـمت بیـرون رانده شده و منحنی تغییر شـکل شـالوده بـه شـکل محـدب درمـیآیـد.
تمام انواع نشستها توابعی از اضافه تنش اعمالی در روی خاک توسط فونداسیون هستند. بنابراین آشنایی با روابط محاسبه توزیع تنش در خاک در اثر اعمال بار فونداسیون دارای اهمیت خاصی است. روابط متعددی برای یافتن وضعیت تنشها در عمق بر اثر بارگذاری ارائه شده که معادله بوسینسک و وسترگارد عمومیت بیشتری داشته که در کتب مکانیک خاک و یا سایر منابع ژئوتکنیک تشریح شدهاند. البته ذکر این نکته ضروری است که داشتن توزیع تنش در عمق شرط الزم جهت تخمین دقیق نشست بوده ولی کافی نیست. در عمل بارهای متمرکز روی فونداسیون وارد شده و از کف آن بار گسترده در عمق توزیع میشود. روابط مختلفی برای انواع بارها و شکلهای مختلف پی ارائه شده که برای سهولت میتوان از نمودارهای ساده شده استفاده نمود. در این خصوص میتوان نقاط هم تنش مقطع قائم مرکزی برای پیهای مربعی و نواری بر اساس روابط بوسینسک را مورد استفاده قرار داد.
توزیع تنش جانبی خاک روی دیوار حائل
دیوارهای حائل از جمله سازههای نگهبان خاک برای حفاظت شیروانیهای خاکی هستند که تحت تنش رانشی خاک قرار دارد. هنگامی که دیوار در شرایط حرکت دورانی حول بالای دیوار قرار میگیرد محل اثر برآیند تنش در نیمه ارتفاع دیوار عمل میکند. صفحه گسیختگی خاک در این شرایط بصورت منحنی غیرخطی است و تحلیل تنش جانبی آن با استفاده از تئوری حالت حدی رانکین و کولمب که صفحه گسیختگی خاک را به صورت خط راست در نظر میگیرند، محل برآیند تنش جانبی خاک را با خطا مواجه میکند.
تأثیر مسیر تنش بر رفتار ترشدگی خاکهای غیر اشباع
به طور کلی بیشتر مناطق خشـک و نیمـه خشـک جهـان در شرایط غیراشباع قـرار دارنـد و مطالعـات و بررسـی آنهـا تفاوت فراوانی بـا خاکهـای اشـباع دارد. در حـال حاضـر دادههای آزمایشگاهی فراوانی روی خاکهای غیراشـباع بـا هدف بررسـی رفتـار آنهـا صـورت گرفتـه اسـت. عمـدتاً مطالعات در شرایط کنترل مکش با سـلولهای سـه محوری به دست آمده کـه مبنـایی بـرای مدلسـازی رفتـاری خاکهای غیراشباع و اعتبار بخشـی بـه مـدلهای موجـود بودهاست. یکی از اصلیترین مسائل مربـوط به خاکهای غیراشباع، تـأثیر ترشـدگی روی رفتـار خـاک است. در خاکهای غیراشباع، تغییر درجه اشباع خـاک منجر به تغییرات قابل ملاحظهای در حجم، مقاومت برشـی و مشخصــات هیــدرولیکی میشــود. خاکریزهــای متــراکم غیراشباع، ناشـی از افـزایش تـدریجی یـا ناگهـانی درصـد رطوبــت، در معــرض تغییــر شــکلهای زیــاد و یــا حتــی گسیختگی قرار میگیرند. شدت تغییر شکلها به عواملی همچون، نوع خاک، مکش بافتی اولیه، درجه اشباع، میزان سربار موجود و تنش همه جانبه بستگی دارد. خاکهای رمبنده جزء نگرانیهای مهم در مناطق خشـک و نیمه خشک به حساب میآیند.
تفاوت تغییر شکل به وجود آمده در مرحله تحکیم برای دو مسیر تنش متفاوت، وابسته به مقدار تنش انحرافی است به شکلی که برای تنش انحرافی کم اختلاف ناچیز و بـرای تنش انحرافی بالا اختلاف زیاد است. همچنـین در مرحلـه تحکیم، کاهش مکش در برابـر افـزایش تـنش همـه جانبـه جبران شده و سبب شده تا مقدار کـرنش محـوری تقریبـاً برابر در مکشهای مختلف را داشته باشیم.