پایان نامه ارزیابی چرخش محور­های اصلی تنش و کرنش در الگوی پیش­ بینی روان گرایی خاک­ های غیر چسبنده

پایان نامه ارزیابی چرخش محور­های اصلی تنش و کرنش در الگوی پیش­ بینی روان گرایی خاک­ های غیر چسبنده

پایان نامه ارشد رشته عمران

گرایش مکانیک خاک و پی

عنوان:

ارزیابی چرخش محور­های اصلی تنش و کرنش و عدم هم­ محوری آن­ ها در الگوی پیش­ بینی روانگرایی خاک­های غیر چسبنده

با فرمت قابل ویرایش word

تعداد صفحات: 149  صفحه

تکه های از متن به عنوان نمونه :

چکیده:

بررسی رفتار خاک­ها در اثر بارگذاری­های متفاوت از مهمترین مسائل در مهندسی ژئوتکنیک می­باشد. رفتار خاک­ها وابسته به پارامتر­های متعددی نظیر دانه­بندی، جنس دانه­ها، نحوه بارگذاری، تاریخچه تنش و غیره است. عدم هم­محوری جهات تنش اصلی و کرنش اصلی پدیده­ای است که در سال­های اخیر توجه فراوانی را به خود جلب کرده است. این پدیده ناشی از ناهمسانی در رفتار خاک است. الگو­های رفتاری که بر اساس مستقل­های تنش و کرنش عمل می­کنند، قادر به ارائه عدم هم­محوری خاک در جهات مختلف نیستند.

در این پایان­نامه از نظریه چند صفحه­ای برای بررسی عدم هم­محوری استفاده شده است. این نظریه علاوه بر توانایی اعمال خواص ریزسنجی خاک مانند نسبت تخلخل، جنس دانه­ها و رفتار انبساطی و انقباضی خاک، قادر به اعمال بارگذاری­ در جهات مختلف است. به عبارتی این نظریه رابط میان خواص ماکروسکوپی و میکروسکوپی است. در این پایان­نامه ابتدا نتایج حاصل از چرخش محور­های اصلی در رفتار خاک بررسی گردیده و سپس عدم هم­محوری آن نشان داده شده است.

1-فصل اول: مقدمه و کلیات.. 1

1-1-   مقدمه.. 2

1-2-اهداف پایان­نامه .. 4

1-3-ساختار پایان­نامه . 4

2-فصل دوم: مطالعات گذشته.. 5

2-1-عدم هم­محوری در رفتار خاک.. 6

2-1-1-تعریف عدم هم­محوری.. 6

2-1-2-مطالعات انجام شده بر روی عدم هم­محوری.. 7

2-1-3-مطالعات عددی گذشته بر روی عدم هم­محوری.. 9

2-2-دستگاه سیلندر استوانه­ای.. 11

2-2-1-معرفی.. 11

2-2-2-قوانین آزمایش سیلندر استوانه­ای.. 12

2-2-3-مطالعات آزمایشگاهی گذشته بر روی عدم هم­محوری به ­وسیله­ دستگاه سیلندر استوانه­ای   17

3-فصل سوم: نظریه چند صفحه­ای.. 28

3-1-مقدمه.. 29

3-2-تاریخچه نظریه چند صفحه­ای.. 29

3-3-مفهوم عددی نظریه چند صفحه­ای.. 30

3-4-الاستیسیته و نظریه چند صفحه­ای.. 30

3-5-امتیازات نظریه چند صفحه­ای.. 34

3-6-تفسیر نظریه چند صفحه­ای.. 35

3-7-تعریف صفحات در فضای سه بعدی . 37

3-8-الگوی الاستو پلاستیک با قانون سخت­شوندگی همسان.. 38

3-8-1-بارگذاری، باربرداری و بارگذاری مجدد.. 43

3-8-1-1-اولین بارگذاری.. 44

3-8-1-2-باربرداری.. 44

3-8-1-3-بارگذاری مجدد.. 45

3-9-بیضی مقاومت   . 46

4-فصل چهارم: نتایج الگوی چند صفحه­ای.. 48

4-1-مقدمه                49

4-2-صحت سنجی مدل.. 49

4-2-1-شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی در حالت زهکشی شده با دانسیته نسبی 90%            50

4-3- بارگذاری تک­سویه در حالت زهکشی شده       .. 50

4-3-1-مسیر تنش.. 51

4-3-2-…………………………………………………………………………………………………. نتایج.. 52

4-4-چرخش خالص در حالت زهکشی شده.. 79

4-4-1-مسیر تنش.. 79

4-4-2-…………………………………………………………………………………………………. نتایج.. 80

4-5-بارگذاری تک­سویه در حالت زهکشی نشده .. 86

4-5-1-مسیر تنش.. 86

4-5-2-…………………………………………………………………………………………………. نتایج.. 87

4-6-چرخش خالص در حالت زهکشی نشده.. 109

4-6-1-مسیر تنش.. 109

4-6-2-……………………………………………………………………………………………….. نتایج… 109

5-فصل پنجم: نتایج و پیشنهادات.. 114

5-1-رفتار ماسه تحت بارگذاری تک­سویه در حالت زهکشی شده .. 115

5-2-رفتار ماسه تحت چرخش خالص محورهای اصلی تنش در حالت زهکشی شده                115

5-3-رفتار ماسه تحت بارگذاری تک­سویه در حالت زهکشی نشده .. 116

5-4-رفتار ماسه تحت چرخش خالص محورهای اصلی تنش در حالت زهکشی نشده      116

5-5-پیشنهادات . 117

6-منابع و مؤاخذ   .. 118

شکل ‏1‑1: ارتباط بین ناهمسانی و عدم هم­محوری.. 4

شکل ‏2‑1: نتایج آزمایش برش ساده[12] 8

شکل ‏2‑2: سیر تکامل عدم هم­محوری.. 10

شکل ‏2‑3:اجزای تنش در HCA، (a) محور مختصات سیلندر استوانه­ای (b) اجزای تنش، (c) اجزای کرنش، (d) تنش­های اصلی [23] 13

شکل ‏2‑4: تنش­ها و تغییرشکل­های میانگین.. 15

شکل ‏2‑5: جهت گام­های کرنش در آزمایشات ^°5/24 و^°45 [37] 18

شکل ‏2‑6: آزمایشات °45 و °5/67 …… 19

شکل ‏2‑7: چرخش خالص با kPa 110 ….. 19

شکل ‏2‑8: جهت نمو کرنش اصلی در آزمایشات زهکشی شده با °5/24 و °45        20

شکل ‏2‑9: بردارهای نمو کرنش بر روی فضای تنش.. 21

شکل ‏2‑10: عدم هم­محوری تحت شرایط تنش بدون چرخش تنش اصلی.. 22

شکل ‏2‑11: بردار نمو کرنش ناشی از چرخش محورهای اصلی تنش (°R1+0).. 23

شکل ‏2‑12: بردار نمو کرنش ناشی از چرخش محورهای اصلی تنش (^°180R2+)   23

شکل ‏2‑13: نمو کرنش پلاستیک واحد بر روی صفحه تنش ناشی از بارگذاری ساده[6] 25

شکل ‏2‑14: نمو کرنش پلاستیک واحد بر روی صفحه تنش ناشی از چرخش خالص[6] 25

شکل ‏2‑15: نمو کرنش پلاستیک واحد بر روی صفحه تنش ناشی از بارگذاری مرکب[6] 26

شکل ‏2‑16:مقایسه جهت­های تنش اصلی و نمو کرنش اصلی در صفحه فیزیکی حین چرخش تنشهای اصلی ]28[ 27

شکل ‏3‑1: 26 نقطه جهت انتگرال گیری عددی روی کره با شعاع واحد [29] 32

شکل ‏3‑2 الف: نمایش تجمع واقعی ذرات خاک ب: نمایش دو بعدی قطعات چند وجهی مصنوعی [29] 35

شکل ‏3‑3 رفتارشناسی نظریه چند صفحه­ای [1] 36

شکل ‏3‑4 موقعیت صفحات سیزده­گانه [29] 37

شکل ‏3‑5: سطح تسلیم، تابع پتانسیل خمیری، خط حالت بحرانی و دامنه کشسان در فضای σ_n:τ. 40

شکل ‏3‑6: تغییرات بر حسب ….. 45

شکل ‏4‑1: نتایج حاصل از شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی.. 50

شکل ‏4‑2:مسیرهای تنش برای بارگذاری تک­سویه.. 52

شکل ‏4‑3: نتایج شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی در حالت زهکشی شده برای ^◦0= α (a) اجزای تنش- کرنش انحرافی (b) تنش انحرافی- کرنش اصلی ماکزیمم (c) کرنش حجمی-کرنش انحرافی (d) عدم هم­محوری جهت تنش و نمو کرنش.. 54

شکل ‏4‑4: تغییرات (a) مسیر تنش و (b) کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات فعال در حالت زهکشی شده برای^◦0=α. 55

شکل ‏4‑5: تغییرات نمو کرنش­های اصلی پلاستیک در حالت زهکشی شده برای ^◦0= α  59

شکل ‏4‑6: نتایج شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی در حالت زهکشی شده برای^◦ 15= α (a) اجزای تنش- کرنش انحرافی (b) تنش انحرافی- کرنش اصلی ماکزیمم (c) کرنش حجمی-کرنش انحرافی (d) عدم هم­محوری جهت تنش و نمو کرنش.. 61

شکل ‏4‑7: تغییرات (a) مسیر تنش و (b) کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات فعال در حالت زهکشی شده برای        ^◦ 15= α. 62

شکل ‏4‑8: تغییرات نمو کرنش­های اصلی پلاستیک در حالت زهکشی شده برای ^◦15= α  63

شکل ‏4‑9: نتایج شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی در حالت زهکشی شده برای^◦ 30= α (a) اجزای تنش- کرنش انحرافی (b) تنش انحرافی- کرنش اصلی ماکزیمم (c) کرنش حجمی-کرنش انحرافی (d) عدم هم­محوری جهت تنش و نمو کرنش.. 64

شکل ‏4‑10: تغییرات (a) مسیر تنش و (b) کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات فعال در حالت زهکشی شده برای ^◦30= α. 65

شکل ‏4‑11: تغییرات نمو کرنش­های اصلی پلاستیک در حالت زهکشی شده برای ^◦30= α  66

شکل ‏4‑12: نتایج شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی در حالت زهکشی شده برای^◦ 45= α (a) اجزای تنش- کرنش انحرافی (b) تنش انحرافی- کرنش اصلی ماکزیمم (c) کرنش حجمی-کرنش انحرافی (d) عدم هم­محوری جهت تنش و نمو کرنش.. 68

شکل ‏4‑13: تغییرات (a) مسیر تنش و (b) کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات فعال در حالت زهکشی شده برای ^◦45= α. 69

شکل ‏4‑14: تغییرات نمو کرنش­های اصلی پلاستیک در حالت زهکشی شده برای ^◦45= α  70

شکل ‏4‑15: نتایج شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی در حالت زهکشی شده برای^◦ 60= α (a) اجزای تنش- کرنش انحرافی (b) تنش انحرافی- کرنش اصلی ماکزیمم (c) کرنش حجمی-کرنش انحرافی (d) عدم هم­محوری جهت تنش و نمو کرنش.. 71

شکل ‏4‑16: تغییرات (a) مسیر تنش و (b) کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات فعال در حالت زهکشی شده برای ^◦60= α. 72

شکل ‏4‑17: تغییرات نمو کرنش­های اصلی پلاستیک در حالت زهکشی شده برای ^◦60= α  73

شکل ‏4‑18: نتایج شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی در حالت زهکشی شده برای^◦ 75= α (a) اجزای تنش- کرنش انحرافی (b) تنش انحرافی- کرنش اصلی ماکزیمم (c) کرنش حجمی-کرنش انحرافی (d) عدم هم­محوری جهت تنش و نمو کرنش.. 74

شکل ‏4‑19: تغییرات (a) مسیر تنش و (b) کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات فعال در حالت زهکشی شده برای ^◦75= α. 75

شکل ‏4‑20: تغییرات نمو کرنش­های اصلی پلاستیک در حالت زهکشی شده برای ^◦75= α  76

شکل ‏4‑21: نتایج شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی در حالت زهکشی شده برای^◦ 90= α (a) اجزای تنش- کرنش انحرافی (b) تنش انحرافی- کرنش اصلی ماکزیمم (c) کرنش حجمی-کرنش انحرافی (d) عدم هم­محوری جهت تنش و نمو کرنش.. 77

شکل ‏4‑22: تغییرات (a) مسیر تنش و (b) کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات فعال در حالت زهکشی شده برای ^◦90= α. 78

شکل ‏4‑23: تغییرات نمو کرنش­های اصلی پلاستیک در حالت زهکشی شده برای ^◦90= α  79

شکل ‏4‑24: مسیر تنش شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی.. 80

شکل ‏4‑25:(a) ارتباط تنش برشی- کرنش برشی (b) کرنش حجمی-زاویه چرخش محورهای اصلی تنش در چرخش خالص محورهای اصلی تنش. 81

شکل ‏4‑26: مسیر تنش بر روی صفحات فعال در چرخش خالص محورهای اصلی تنش   83

شکل ‏4‑27: تغییرات کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات سیزده­گانه در چرخش خالص محورهای اصلی تنش. 84

شکل ‏4‑28: عدم هم­محوری جهتهای تنش اصلی و نمو کرنش اصلی در چرخش خالص محورهای اصلی تنش در حالت زهکشی شده. 86

شکل ‏4‑29: نتایج شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی برای آزمایشات زهکشی نشده ^∙0=α- (a) تنش انحرافی- تنش موثر همجانبه (b) تنش انحرافی- کرنش اصلی بزرگتر (c) فشار حفرهای-کرنش اصلی بزرگتر (d) عدم هم­محوری.. 88

شکل ‏4‑30: : تغییرات (a) مسیر تنش و (b) کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات فعال در حالت زهکشی نشده برای ^◦0= α. 89

شکل ‏4‑31: تغییرات نمو کرنش­های اصلی پلاستیک در حالت زهکشی نشده برای ^◦0= α  90

شکل ‏4‑32: نتایج شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی برای آزمایشات زهکشی نشده ^∙15=α – (a) تنش انحرافی- تنش موثر همه­جانبه (b) تنش انحرافی- کرنش اصلی بزرگتر (c) فشار حفره­ای-کرنش اصلی بزرگتر (d) عدم هم­محوری.. 91

شکل ‏4‑33: : تغییرات (a) مسیر تنش و (b) کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات فعال در حالت زهکشی نشده برای ^∙15=α. 92

شکل ‏4‑34: تغییرات نمو کرنش­های اصلی پلاستیک در حالت زهکشی نشده برای ^∙15=α  94

شکل ‏4‑35: نتایج شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی برای آزمایشات زهکشی نشده ^∙30=α – (a) تنش انحرافی- تنش موثر همه­جانبه (b) تنش انحرافی- کرنش اصلی بزرگتر (c) فشار حفره­ای-کرنش اصلی بزرگتر (d) عدم هم­محوری.. 95

شکل ‏4‑36: : تغییرات (a) مسیر تنش و (b) کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات فعال در حالت زهکشی نشده برای ^∙30=α. 96

شکل ‏4‑37: تغییرات نمو کرنش­های اصلی پلاستیک در حالت زهکشی نشده برای ^∙30=α  97

شکل ‏4‑38: نتایج شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی برای آزمایشات زهکشی نشده ^∙45=α – (a) تنش انحرافی- تنش موثر همه­جانبه (b) تنش انحرافی- کرنش اصلی بزرگتر (c) فشار حفره­ای-کرنش اصلی بزرگتر (d) عدم هم­محوری.. 98

شکل ‏4‑39: : تغییرات (a) مسیر تنش و (b) کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات فعال در حالت زهکشی نشده برای ^∙45=α. 99

شکل ‏4‑40: تغییرات نمو کرنش­های اصلی پلاستیک در حالت زهکشی نشده برای ^∙45=α  100

شکل ‏4‑41: نتایج شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی برای آزمایشات زهکشی نشده ^∙60=α – (a) تنش انحرافی- تنش موثر همه­جانبه (b) تنش انحرافی- کرنش اصلی بزرگتر (c) فشار حفره­ای-کرنش اصلی بزرگتر (d) عدم هم­محوری.. 101

شکل ‏4‑42: : تغییرات (a) مسیر تنش و (b) کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات فعال در حالت زهکشی نشده برای ^∙60=α. 102

شکل ‏4‑43: تغییرات نمو کرنش­های اصلی پلاستیک در حالت زهکشی نشده برای ^∙60=α  103

شکل ‏4‑44: نتایج شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی برای آزمایشات زهکشی نشده ^∙75=α – (a) تنش انحرافی- تنش موثر همه­جانبه (b) تنش انحرافی- کرنش اصلی بزرگتر (c) فشار حفره­ای-کرنش اصلی بزرگتر (d) عدم هم­محوری.. 104

شکل ‏4‑45: : تغییرات (a) مسیر تنش و (b) کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات فعال در حالت زهکشی نشده برای ^∙75=α. 105

شکل ‏4‑46: تغییرات نمو کرنش­های اصلی پلاستیک در حالت زهکشی نشده برای ^∙75=α  106

شکل ‏4‑47: نتایج شبیه­سازی رفتار ماسه پرتوی برای آزمایشات زهکشی نشده ^∙90=α – (a) تنش انحرافی- تنش موثر همه­جانبه (b) تنش انحرافی- کرنش اصلی بزرگتر (c) فشار حفره­ای-کرنش اصلی بزرگتر (d) عدم هم­محوری.. 107

شکل ‏4‑48: : تغییرات (a) مسیر تنش و (b) کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات فعال در حالت زهکشی نشده برای ^∙90=α. 108

شکل ‏4‑49: تغییرات نمو کرنش­های اصلی پلاستیک در حالت زهکشی نشده برای ^∙90=α  109

شکل ‏4‑50: تغییرات فشار آب حفره­ای در اثر چرخش خالص محورهای اصلی تنش در حالت زهکشی نشده. 110

شکل ‏4‑51: مسیر تنش بر روی صفحات فعال در چرخش خالص برای ماسه پرتوی در حالت زهکشی نشده. 111

شکل ‏4‑52: تغییرات کرنش برشی پلاستیک بر روی صفحات فعال در چرخش خالص برای ماسه پرتوی در حالت زهکشی نشده. 112

شکل ‏4‑53: عدم هم­محوری جهتهای تنش اصلی و نمو کرنش اصلی در چرخش خالص محورهای اصلی تنش در حالت زهکشی نشده. 113

-      مقدمه

خاک­ها از جمله مصالحی هستند که رفتار پیچیده­ای از خود نشان می­دهند. پوشش سطح زمین از این مصالح و پیچیدگی­های رفتاری آن­ها موجب شده است که رفتار تنش- کرنش آن­ها مورد مطالعه­ دقیق قرار گیرد. از عوامل اصلی این پیچیدگی­ها می­توان به چند فازی بودن و تغییرشکل­پذیری آن­ها اشاره کرد. تغییر­شکل خاک­ها به عوامل متعددی نظیر شکل و اندازه ذرات، تخلخل، چسبندگی و اصطکاک دانه­ها، درصد رطوبت، درصد اشباع، زهکشی، تقید جانبی، مسیر و تاریخچه تنش، سرعت بارگذاری و وضعیت همگنی و همسانی مصالح وابسته است. به همین دلیل پیش­بینی رفتار و یا تغییرشکل خاک­ها دشوار است [1].

در مهندسی ژئوتکنیک، عدم هم­محوری، نا متقارن بودن جهت تنش اصلی و جهت نمو کرنش اصلی تعریف می شود. این پدیده مهم هم در مسائل مهندسی و هم در نتایج آزمایشگاهی آزمایشات برش مستقیم و دستگاه سیلندر استوانه­ای[1] مشاهده می شود. آنالیز عددی انجام شده توسط یو[2] و یوان[3] [2]، [3] و یو و یانگ[4] [4] نشان داد که عدم هم­محوری خاک دانه­ای، تاثیرات مهمی در طراحی ژئوتکنیکی دارد. آن­ها نتیجه گرفتند که طراحی فنداسیون­های سطحی بدون در نظر گرفتن عدم هم­محوری، می­تواند خلاف جهت اطمینان باشد. اهمیت در نظر گرفتن عدم هم­محوری در طراحی ژئوتکنیکی سازه­ها، تصدیق شده است [2]. مدل­هایی که عدم هم­محوری رفتار خاک را در نظر گرفته­اند توسط محققین زیادی ایجاد شده­اند ( [5]یاتومی[5] و [6] گوتیرز[6] و [7] لی[7] و دافیلیاس[8] و [8]لشکری و لطیفی و[9]،[10] جیانگ[9] و…).

برای اولین بار در سال 1967، [11]، [12] روسکو[10] عدم هم­محوری جهت تنش­های اصلی و جهت نمو کرنش را در آزمایش برش ساده گزارش داد. بر اساس تحقیقات آزمایشگاهی میکرو­مکانیکی با استفاده از دیسک نوری به عنوان شبیه­ساز دو بعدی محیط دانه­ای، [13] درشر[11] و جوسلین دی یونگ[12] شواهد بیشتری از عدم هم­محوری را گزارش دادند. [9] آرتور[13] و ونگ[14] با استفاده از آزمایش برش ساده نشان دادند که در نمونه ماسه­ای تحت چرخش پیوسته محور تنش اصلی، انحراف بین جهت­های نمو تنش اصلی و نمو کرنش اصلی می­تواند بیش از 30 باشد. آزمایش­های انجام شده با HCA[15] نشان دادند که مواد دانه­ای هنگامی که تحت چرخش خالص محور­­های اصلی قرار می­گیرند، عدم هم­محوری را در رفتار خود نشان می­دهند ( [10] سیمز[16] ، [11] ایشیهارا[17] و توهاتا[18] ، [12] میورا[19]). عدم هم­محوری به ناهمسانی ماده و تاریخچه بارگذاری وابسته است.

شکل ‏1‑1 یک نمونه ناهمسانی را نشان می دهد. در شکل (a)1-1 ، اگر جهت بارگذاری عمود بر لایه­ها باشد، جهت تنش اصلی و نمو کرنش اصلی هم­محور خواهند بود، حتی اگر نمونه ناهمسان باشد. همان­طور که در شکل (b)1-1 نشان داده می­شود، هنگامی که جهت بارگذاری و لایه­ها بر هم عمود نباشد، محور نمو کرنش از محور تنش اصلی انحراف پیدا می کند و عدم هم­محوری رخ می­دهد.

پیش­بینی دقیق بزرگی و جهت تغییر­شکل خاک به هنگام نصب یک سازه بر روی آن اهمیت فراوانی دارد. بنابراین نیاز است که قوانین عدم هم­محوری در توسعه کرنش­های پلاستیک به­کار برده شوند.

شکل ‏1‑1: ارتباط بین ناهمسانی و عدم هم­محوری

1-2-      اهداف پایان­نامه

هدف اصلی این پایان­نامه بررسی عدم هم­محوری جهت تنش­های اصلی و نمو کرنش­های اصلی با استفاده از نظریه چند صفحه­ای است. در این نظریه از الگوی الاستوپلاستیک با قانون سخت­شوندگی همسان استفاده شده است. از امتیازات این نظریه وابستگی رفتار خاک به جهات مختلف بارگذاری و توانایی اعمال ناهمسانی به خاک در جهات مختلف است. همچنین این الگو قادر به پیش­بینی صفحه گسیختگی تحت بارگذاری­های مختلف می­باشد.....

و.......