دانلود مقاله نشست خاک

چنانچه روی خاک بارگذاری انجام شود( خاک درشت دانه شامل شن و ماسه چه در حالت اشباع و غیر اشباع و خاکهای ریز دانه غیر اشباع ) دانه های خاک به هم نزدیکتر شده و فضای خالی بین دانه ها کم می شود و زاویه اصطکاک داخلی دانه های خاک افزایش یافته و در نتیجه مقاومت برشی خاک افزایش می یابد تا زمانیکه بار وارده از مقاومت برشی خاک بیشتر باشد خاک نشست کرده و متراکم تر و توپرتر می شود.

زمانیکه مقاومت برشی خاک از نیروی وارده بیشتر شود نشست خاک متوقف می گردد.

برای خاکهای درشت دانه غیر اشباع و ریز دانه غیر اشباع بعد از بارگذاری تنش وارده به تنش موثر تبدیل گردیده و خاک نشست می کند در خاکهای درشت دانه اشباع در ابتدای بارگذاری آب حفره ای دچار افزایش فشار می شود اما از آنجایی که ضریب نفوذ پذیری خاک درشت دانه بالاست و افزایش فشار آب حفره ای به سرعت مستهلک شده و تنش کل به تنش موثر تبدیل شده و خاک نشست می کند.

به چنین حالتی که خاکهای ریز دانه و درشت دانه غیر اشباع دچار نشست می شوند نشست الاستیک (آنی) می گویند.

نشست الاستیک : نشست الاستیک به خاک زیر پی و نوع پی از لحاظ شکل پذیر بودن یا صلب بودن بستگی دارد پی ها عموما به طور مسلح و صلب اند.اما چنانچه فاصله بین ستون ها زیاد باشد و عرض و ارتفاع پی کم باشد که همین پی های بتونی می توانند انعطاف پذیر باشد.

برحسب نوع خاک و نوع پی از جنبه انعطاف پذیر بودن یا صلب بودن موارد زیر را داریم : خاک رسی و پی انعطاف پذیر :(شکل الف ) در پی های انعطاف پذیر زمانیکه روی خاک چسبنده قرار میگیرند خاک زیر پی و بعلت چسبندگی به خاکهای دیگر نشست می کند و شکل مقعر به خود می گیرد.

خاک رسی و پی صلب: (شکل ب ) پی صلب در گوشه ها نشست بیشتری ایجاد می کند و تقریبا یکنواخت خواهد بود ولی توزیع مجددی در تنش تماسی بوجود می آید که از حالت یکنواخت خارج می شود در نتیجه در خاک رسی در زیر پی صلب کناره ها فشار بیشتری را ایجاد می کند.

خاک ماسه ای و پی انعطاف پذیر: :(شکل الف ) در خاکهای ماسه ای به علت بیشتر بودن تنش زیر پی و فشار جانبی ماسه خاک متراکم تر شده و نشست کمتری انجام می دهد اما در خاک های رسی به علت خمیری شدن ناحیه زیر پی نشست بیشتری را انجام می دهد.

خاک ماسه ای و پی صلب : (شکل ب ) در خاکهای ماسه ای در پی صلب نشست یکنواخت خواهد بود.

محاسبه نشست آنی : برای بار گذاری به شدت q بر روی یک لایه کاملا الاستیک و ایزوتروپ، نشست آنی با استفاده از رابطه زیر به دست می آید: B= عرض پی q= شدت بار که بر حسب Kg/m2)) می باشد.

I= ضریب تاثیر μ= ضریب پوآسون E= مدول الاستیک خاک Kg/m2)) تذکر 1 ) پی انعطاف پذیر تقریبا 1.5 برابر پی صلب نشست پیدا می کند.

با استفاده از آزمایش بارگذاری صفحه می توان نشست را به دست آورد.

برای این منظور گودالی تا عمق D که فونداسیون روی آن قرار می گیرد کند شده که ابعاد این گودال به اندازه حداقل 4B می باشد سپس صفحه ای صلب به قطر30cm داخل گودال قرار داده شده و برروی آن نیروی F وا رد می گردد.

بارگذاری باید طوری انجام شود که حداقل در 4 الی 5 مرحله خاک گسیخته شود، یعنی در هر مرحله 1/5 بار نهایی به خاک وارد می شود و در هر مرحله تا زمانیکه نشست متوقف گردد بارگذاری ادامه می یابد سپس نمودار بار- نشست را رسم کرده و بر اساس نشست مجاز که 1in یا 2.54 cm است بار مجاز را به دست می آوریم وبا استفاده از روابط زیر میتوان ضریب عکس العمل پلیت را بدست آورد.

با استفاده از روابط زیر ضریب عکس العمل فونداسیون برای خاکهای بدست می آید برای پی های نواری: حال با رابطه زیر نشست فونداسیون به دست می آید: نشست تحیکم :consolidation settlement)) برای خاکهای ریز دانه اشباع ( رس و سیلت ) هنگامی که تحت افزایش تنش قرار می گیرند در ابتدا تمام فشار یا افزایش تنش به آب میرسد و فشار آب حفره ای افزایش می یابد و هیچ تنشی به دانه های جامد خاک نمی رسد و یا به عبارتی هیچ قسمتی از تنش کل به تنش موثر تبدیل نمی شود.

از آنجایی که ضریب نفوذ پذیری خاکهای ریز دانه بسیار پائین است سرعت مستهلک شدن فشار آب حفره ای بسیار کم شده و مدت زمان طولانی نیاز است تا آب از سیستم خارج شده و تنش تبدیل به تنش موثر شده و دانه های جامد خاک نشست می نمایند به چنین نشستی که وابسته به زمان بوده و برای خاکهای ریز دانه اشباع اتفاق می افتد را نشست تحکیم می گویند.

مدل سازی نشست تحیکم : چنانچه سیستم نشان داده شده زیر تحت افزایش تنش σ قرار گیرد در ابتدای بار گذاری t=0 کل بار وارده به روغن یا آب داخل دستگاه میرسد که این ناشی از خاصیت تراکم پذیری مایعات می باشد و در لحظه t=0 هیچ نیرویی را فنر تحمل نمی کند و حال اگر شیر پائین را باز نمائیم ( مدت زمان بیشتری از بار گذاری بگذرد) به تدریج روغن از پائین خارج شده و قسمتی از بار به فنر میرسد و در انتهای آزمایش چنانچه روغن به طور کامل خارج شود کل بار σ توسط فنر تحمل می گردد.

فنر کمک فنر در لحظهt فنرσ+ روغن σ = σ تنش کل حال اگر یک لایه رسی که در میان دو لایه خاک درشت دانه قرار داشته و اشباع باشد تحت افزایش تنش Δσ قرار گیرد در لحظه t=0 کل تنش توسط آب تحمل شده و تنش موثر صفر می باشد.

بعد از گذشت مدت زمانی از بارگذاری ∞ در انتهای آزمایش یا T=∞ به علت خروج کامل آب از سیستم فشار آب حفره ای صفر شده و کل بار با افزایش تنش تبدیل به تنش موثر می گردد.

آزمایش تحیکم: ( ODOMETER) اولین بار آقای ترزاقی روش آزمایش زیر را برای محاسبه تحکیم ارائه نمود.در این روش خاکی به قطر 5cm و به ارتفاع 2cm که به صورت دست نخورده از محل تهیه می شود و به شرح زیر مورد آزمایش قرار می گیرد بعد از نمونه برداری از صحرا در آزمایشگاه برای تهیه نمونه ای با مشخصات گفته شده از رینگ فلزی استفاده میشود به طوری که بدنه رینگ توسط روغن چرب و با فشار داخل نمونه برده می شود.سپس توسط کاردک سرو ته نمونه خوب پردازش شده و خاکهای اضافی جدا می گردد بعد از وزن کردن نمونه و گرفتن درصد رطوبت نمونه مطابق شکل داخل دستگاه تحکیم قرار داده می شود.این نمونه باید به مدت 24 ساعت داخل آب قرار داشته باشد تا کاملا اشباع گردد.و اگر دارای پتانسیل تورم باشد نشان دهد.سپس بارگذاری به شدت های (نیم کیلو گرم بر cm2 ) بر روی نمونه انجام می شود که در آخرین مرحله بار گذاری تنش وارده باید تنشی که قرار است خاک تحمل نماید بیشتر شود.معمولا در آزمایش تحکیم 5تا7 مرحله بارگذاری داریم که در هر مرحله شدت بارگذاری دو برابر شود و یک یا دو پله بار برداری انجام می گردد.بعد از اعمال بار در 1و2و4و8و15و30 دقیقه و1و2و4و8و15و24 ساعت تغییر مکان قائم نمونه اندازه گیری می شود و با دو برابر کردن بار به همین ترتیب گفته شده در هر مرحله تغییر مکان به دست می آید.

اولین بار آقای ترزاقی روش آزمایش زیر را برای محاسبه تحکیم ارائه نمود.در این روش خاکی به قطر 5cm و به ارتفاع 2cm که به صورت دست نخورده از محل تهیه می شود و به شرح زیر مورد آزمایش قرار می گیرد بعد از نمونه برداری از صحرا در آزمایشگاه برای تهیه نمونه ای با مشخصات گفته شده از رینگ فلزی استفاده میشود به طوری که بدنه رینگ توسط روغن چرب و با فشار داخل نمونه برده می شود.سپس توسط کاردک سرو ته نمونه خوب پردازش شده و خاکهای اضافی جدا می گردد بعد از وزن کردن نمونه و گرفتن درصد رطوبت نمونه مطابق شکل داخل دستگاه تحکیم قرار داده می شود.این نمونه باید به مدت 24 ساعت داخل آب قرار داشته باشد تا کاملا اشباع گردد.و اگر دارای پتانسیل تورم باشد نشان دهد.سپس بارگذاری به شدت های (نیم کیلو گرم بر cm2 ) بر روی نمونه انجام می شود که در آخرین مرحله بار گذاری تنش وارده باید تنشی که قرار است خاک تحمل نماید بیشتر شود.معمولا در آزمایش تحکیم 5تا7 مرحله بارگذاری داریم که در هر مرحله شدت بارگذاری دو برابر شود و یک یا دو پله بار برداری انجام می گردد.بعد از اعمال بار در 1و2و4و8و15و30 دقیقه و1و2و4و8و15و24 ساعت تغییر مکان قائم نمونــه انــدازه گیری می شود و با دو برابر کردن بار به همین ترتیب گفته شده در هــر مرحله تغییر مکان به دست می آید.

رسم منحنی e – logp پس از تعیین تغییر شکل یا نشست در هر مرحله میتوان نمودار e – logpرسم نمائیم و برای این منظور باید e را در هر مرحله بدست بیاوریم.

روش اول: کهe0 تخلخل اولیه و H0 ارتفاع اولیه است.

روش دوم: منحنی تحکیم دارای دو قسمت می باشد قسمت ابتدائی نمودار دارای شیب کم بوده و به عبارت دیگر تغییرات e در مقابل logp کم می باشد این مطلب به صورت زیر تشکیل می شود هنگامی که یک نمونه در عمق z قرار داشته باشد به اندازه σ = γ z به آن تنش وارد می شود اگر این خاک را نمونه برداری کنیم به همین میزان از روی آن تنش آزاد می شود و حال اگر این نمونه خاک را در آزمایشگاه مورد آزمایش تحکیم قرار دهیم تا زمانیکه میزان تنش به اندازه تنش محلی یا در جای خاک (σ = γ z) نرسد تغییرات نسبت تخلخل در مقابل logp کم بوده و زمانی که تنش وارده به نمونه از مقدار z γ = σ بیشتر شود، نمودار e-log p خطی و با شیب زیاد ادامه می یابد و به عبارت دیگر تغییرات e-logp زیاد می شود.

این مطلب را در آزمایشگاه با بار برداری از روی نمونه می توان تجربه نمود.

چنانچه هنگام آزمایش تحکیم از روی نمونه بار برداری انجام شود نمونه تورم پیدا کرده و یا به عبارت دیگر منحنی e-log(p) برمیگردد و مقداری (نه کل) نشست جبران می شود.

حال اگر مجددا بار یا تنش وارده به نمونه را افزایش دهیم تا زمانی که تنش اخیر به تنش قبلی نرسد منحنی با شیب کم ادامه می یابد و چنانچه تنش از میزان تنش قبلی بیشتر شود شیب نمودار خطی و بسیار تند می شود.

چنانچه از روی یک لایه خاک بار برداری انجام شود در آن لایه تورم ایجاد می شود که باید فشار تورم یا نسبت تخلخل ناشی از تورم محاسبه گردد.

تا زمانی که بار وارده بیشتر از فشار تورم می باشد در خاک تورم بوجود نمی آید، ولی اگر فشار وارده کمتر باشد در خاک تورم ایجاد می شود .

در خاک برداری به علت آزاد شدن تنش از روی زمین ناحیه کنده شده دچار تورم می شود ، مخصوصا اگر جنس منطقه از نوع مارون باشد که دارای فشار یا قابلیت تورم پذیری زیادی می باشد با توجه به مطالب گفته شده در مورد نوع بار وارده و تحکیم لایه ها دو تعریف بوجود می آید : 1- خاک عادی تحکیم یافته : به خاک هایی اطلاق می شود که در تاریخچه عمر خود تنشی که در حال حاضر تحمل می نماید بیشترین تنش باشد.

2- خاک پیش تحکیم یافته : (per)over consolidation soil به خاک هایی اطلاق می شود که قبلا فشارهای بیشتری از آنچه در حال حاضر تحمل می کند بر آنها وارد شده مثل لایه های رسوبی که دچار فرسایش می شوند.

تعیین فشار پیش تحکیم از روی نمودار e-log p: برای تعیین فشار پیش تحکیمی در روی نمودار نقطه ای که دارای کمترین تقعر و یا بیشترین شعاع می باشد به صورت چشمی انتخاب می شود و از نقطه a خطی افقی رسم می نماییم و در نقطه a مماس ac را بر منحنی رسم می کنیم و خط ad نیمساز زاویه abc را رسم می نماییم .

مماسی بر قسمت خطی نمودار رسم کرده تا خط ad را در نقطه f قطع نماید.

و از نقطه f خط قائمی رسم کرده و محل برخورد این خط با محور pc یا فشار پیش تحکیمی می باشد.

نسبت پیش تحیکم : نسبت پیش تحکیم برای یک خاک به صورت زیر تعریف می شود: چنانچه مدت زمان بار گذاری بر روی یک نمونه زیاد باشد منحنی e-log p به سمت چپ حرکت می کند.

هر چه میزان بار نسبت به تنش اولیه وارده بیشتر باشد نمودار به سمت چپ حرکت می کند.

محاسبه نشست: چنانچه المان خاکی با سطح مقطع A و ارتفاع H تحت افزایش تنش РΔ قرار بگیرد و نشستی و یا تغییر شکلی برابرS داشته باشد نشست این المان به صورت زیر محاسبه می گردد: که فرمول زیر را فرمول اصلی نشست گویند: خاک دست نخورده دارای تخلخل بیشتری می باشد.

منحنی تحکیم صحرایی و آزمایشگاهی و دست نخورده خاکهای رسی عادی تحکیم یافته مطابق منحنی شماره (1) شکل می باشد.

شیب منحنی بکر یا صحرایی معرف ضریب فشردگی خاک یا cc می باشد.

منحنی آزمایشگاهی تحکیم خاکهای رسی عادی تحکیم یافته مطابق منحنی شماره (2) شکل می باشد.اگر نمونه کاملا بهم خورده باشد و آزمایش تحکیم روی آن انجام گیرد منحنی تحکیم آن مطابق منحنی شماره (3) شکل می باشد.که این سه منحنی نیز یکدیگر را در 0 0.42e قطع می نمایند.

منحنی تحکیم صحرایی و آزمایشگاهی و دست نخورده خاکهای رسی پیش تحکیم یافته مطابق منحنی شماره (1) شکل شیب منحنی بکر یا صحرایی معرف ضریب فشردگی خاک یا cc می باشد و ضریب فشردگی منحنی تحکیم خاکهای رسی پیش تحکیم یافته مطابق منحنی شماره (2) شکل می باشد.

شیب خط gf که منحنی برگشت یا بار برداری نمونه می باشد(منحنی شماره (3) شکل) معرف ضریب تورم خاک یا cs می باشد که این ضریب در جایی که خاک پیش تحکیم یافته داشته باشیم (میزان تنش وارده از میزان تنش پیش تحکیمی بیشتر باشد) استفاده می شود.

چنانچه یک خاک رس عادی تحکیم یافته تحت آزمایش تحکیم قرار بگیرد با توجه به نمودار مقابل میزان نشست از رابطه زیر بدست می آید: کهΔP افزایش تنش می باشد P0تنش موثر موجود برای نقطه مورد نظر H=ارتفاع لایه رسی چنانچه یک خاک رس پیش تحکیم یافته تحت افزایش تنشΔPقرار بگیرد بطوریکهΔP چنانچه یک خاک رس پیش تحکیم یافته مورد افزایش تنش ΔP قرار بگیرد بطوریکهP0+ ΔP> PC باشد در این حالت برای محاسبه نشست بایستی از هر دو شاخص تورمCs و تراکم Cc استفاده نماییم اگر خاک دست خورده باشد میزان تخلخل کم می شود.

برای بدست آوردن ضریب فشردگی از روابط تجربی نیز می توان استفاده کرد .

طبق روابط تجربی ترزاقی و پک ضریبCc را از روابط زیر می توان بدست آورد.

دست نخورده: CC=0.009(LL-10) دست خورده: CC=0.007(LL-10) و شاخص تورم از رابطه زیر بدست می آید: تحکیم ثانویه : با خروج کامل آب از داخل خاک، خاک وارد مرحله خمیری می شود و تغییر شکل های خمیری در ساختار خاک بوجود می آید و بدین تغییر شکل ها تحکیم ثانویه گفته می شود در رابطه بالاCαرا ضریب نشست ثانویه گویند ep را نسبت تخلخل در انتهای تحکیم اولیه گویند درجه تحکیم : مطالب گفته شده تابه حال برای بدست آوردن نشست تحکیم بوده و تا کنون راجع به زمان تحکیم صحبت نشده است.

برای بدست آوردن زمان تحکیم از نظریه زمان تحکیم ترزاقی استفاده می کنیم که به صورت زیر بیان می شود : 1- توده خاک با آب کاملا همگن می باشد 2- خاک کاملا اشباع است 3- از تراکم پذیری آب صرف نظر می شود 4- تراکم دانه های خاک قابل چشم پوشی است 5- قانون دارسی صادق می باشد دبی خروجی دبی ورودی تغییرات حجم در رابطه بالا avرا ضریب قابلیت فشردگی نامند کاهش تنش موثر همراه ب افزایش فشار آب حفره ای است زیرا طبق رابطه σ'=σ-U مقدار تنش کل ثابت بوده و در نتیجه تغییرات تنش موثر برابر و در خلاف جهت فشار آب حفره ای است MV= ضریب قابلیت فشردگی حجم معادله روبرو را تحکیم تک بعدی گویند.

عبارت زیر را ضریب تحکیم می گویند معادله تحکیم تک بعدی با در نظر گرفتن شرایط مرزی زیر قابل حل می باشد.

یک عدد صحیح می باشد M Hdr طولانی ترین مسیر زه کشی و Tv را عامل یا فاکتور زمان بدون بعد گویند.

که در فرمول بالا Uzرا درجه تحکیم در هر عمقی و u0را درجه تحکیم اولیه گویند.

که در فرمول بالا e tنسبت تخلخل در زمان t و e0را نسبت تخلخل اولیه و e1را نسبت تخلخل در انتهای تحکیم و Δeرا نسبت تخلخل کل گویند.

در فرمول بالا h0 را ارتفاع اولیه نمونه و h tرا ارتفاع در زمان tو h1را ارتفاع در انتهای آزاد گویند.

تذکر 2 ) قسمت بالای نمودار را می توان زمانی استفاده کرد که زه کشی یکطرفه از بالا باشد.

تذکر 3 ) قسمت بالای نمودار را می توان زمانی استفاده کرد که زه کشی یکطرفه از بالا باشد.

تذکر 4 ) سرعت زه کشی یکطرفه زه کشی دو طرفه می باشد.

تغییرات درجه تحکیم متوسط با عامل (فاکتور) زمان برای تا برای ضریب تحیکم : ضریب تحکیم معمولا با افزایش حد مایع کاهش می یابد.

برای تعیین دو روش ترسیمی معمول وجود دارد که در زیر توضیح داده می شود.

روش لگاریتم زمان : 1.قسمت های مستقیم تحکیم اولیه و ثانویه را امتداد داده تا در A همدیگر را قطع کنند عرض نقطه A با یعنی مقدار تغییر شکل در %100 تحکیم نشان داده می شود.

2.بیشترین انحنای قسمت بالا را جدا کرده و مقدار عرض آن را x نامیده و به همان مقدار نیز از بالاترین قسمت نمودار جدا می کنیم عرض نقطه بالا را می نامیم.

3.از نقطه به اندازه به پایین آمده تا و نقطه F و بدست آید.

4.با دانستن اینکه برای %50 درجه تحکیم و با استفاده از فرمول بدست می آید.

روش جذر زمان : 1.

نمودار تغییر شکل را در برابر جذر زمان رسم می کنیم.

2.قسمت تقریبا خطی ابتدای نمودار را امتداد داده تا در نقطه B نمودار را قطع کند.

3.خط AC را طوری رسم می کنیم که OC=1.15 OB طول نقطه D جذر زمان در %90 تحکیم می باشد 4.با دانستن اینکه برای %90 تحکیم و با استفاده از فرمول بدست می آید.

مثال 7-1) فشار موثر پیش تحکیمی در مرکز لایه رس تعیین گردیده است اگر بر روی این لایه ساختمانی احداث شود که بتواند در مرکز لایه رس اضافه فشار به وجود آورد نشست تحکیم لایه رس چقدر خواهد بود ؟

نقطه A در وسط لایه رس می باشد فشاروارده کمتراز فشار پیش تحکیمی است است است مثال 7-2) در زمینی به شکل زیر سطح آب بوسیله پمپاژ 3 متر پایین می آید مقدار نشست در لایه رس چقدر است؟

قبل از نزول آب بعد از نزول آب .

نشست لایه رس مثال 7-3) در اثر ساختن ساختمانی فشار حفره ای در نقطه A 2.5 افزوده می شود.

پس از چند سال 2 از مقدار فشار حفره ای کم می شود؟

چون مثال7-4) ساختمانی یر روی یک شالوده گسترده به ابعاد 30×45 ساخته شده است و فشار زیر شالوده KN/m2 125 می باشد.با فرض توزیع تنش 1 به 2 و اینکه لایه رس عادی تحکیم یافته است،نشست تحکیمی این لایه کدام است؟

) مثال7-5) بر روی زمینی به شرح شکل زیر ، احداث یک ساختمان باعث بوجود آمدن اضافه تنش kg/cm2 65/1 در مرکز لایه رس می شود.اگر نشانه ی فشردگی لایه رسی برابر 27/0 باشد، آنگاه نشست این لایه را حساب کنید.