M.A.H.S.A
09-09-2011, 03:34 PM
چگونگی شکستخاک
برای بسیاری از سازه های دست ساخت بشر، خاکی که در زیر سازه قرار می گیرد، در نهایت عهده دار تحمل بار وارده از سازه می شود و ساختمان، بنا و سازه های مختلف در نهایت فشار خود را به خاک منتقل می کنند. لذا خاکی که در زیر محل احداث ساختمان و سازه است بطور خودکار جزو مصالح ساختمانی در می آید که پایداری ساختمان و سازه متأثر از آن است. بطور کلی و در مقایسه با سایر مصالح ساختمانی مانند فولاد، بتون، چوب، آلومینیوم و غیره، خاک مصالح ساختمانی ضعیفی است و به همین جهت برای تحمل فشار ناشی از احداث ساختمان که بطور رضایت بخشی آنرا برای مدت طولانی تحمل نماید باید سطح بسیار وسیع تر و یا حجم خیلی زیادتری از آن درگیر تحمل فشار وارده گردد. در هر سازه و ساختمانی بارهایی که بر بتون، فولاد، آجر و چوب وارد شده و باید آنرا بخاک ضعیف تر زیر سازه منتقل نماید، یک وسیله انتقال فشار لازم است که پی ساختمان یا سازه می باشد. نقش اساسی و وظیفه پی انتقال بار ناشی از وزن ساختمان به خاک زیر سازه به طریقی است که بر خاک تنش فوق العاده ای وارد نشده و تغییراتی در خاک بوجود نیاورد که باعث نشست مخرب و مزاحم برای سازه شود. نوع پی مناسب، رابطه تنگاتنگی با خصوصیات خاک زیر خود دارد بطوری که می توان گفت یک پی فقط زمانی می تواند نقش و وظیفه خود را بخوبی ایفا نماید که خاک زیر آن رفتار مناسب و مطلوبی داشته باشد. به همین جهت پی و خاک زیر آن جمعاً و رویهم بعنوان یک واحد تفکیک ناپذیر انتقال و تحمل فشار سازه محسوب می گردند. اگر چه مهندسان خاک و پی و مهندسان سازه و سازندگان حرفه ای بخوبی از این نکته آگاهی دارند، لیکن در عمل مرسوم شده که پی سازه را مستقل و جداگانه از خاک زیر آن در نظر بگیرند، زیرا پی یک عضو سازه ساختنی و هزینه بر است که باید در آن بتون، فولاد، گودبرداری، قالب بندی، دستمزد اجرا بکار برده شود در حالیکه خاک طبیعی زیر پی همانجا و بدون هیچگونه هزینه ای به وفور وجود دارد.
از آنجایی که مجموعه خاک- پی وظیفه تأمین تاب آوری و تحمل فشارهای وارده در طول عمر سازه را دارند، برای یک ساختمان بدون مخاطره که پایداری و ایستایی لازم را نیز داشته باشد، پی های آن ساختمان باید برای بدترین شرایط محتمل که ممکن است در طول عمر ساختمان پیش آید محاسبه و طراحی گردند. بهمین دلیل است که مهندسان طراح همیشه اثرات مجموع بارهای زنده و مرده را در نظر می گیرند و همچنین اثر بارهای دیگری که احتمالاً از تأثیر باد، برف، یخبندان، یخ، حرارت، آب، زمین لرزه،انفجار بوجود آیند نیز رعایت می گردند.
هر خاکی مقادیر مختلفی بارپذیری دارد. حداقل فشاری که سبب شکست برشی کامل خاک در اطراف پی می شود ظرفیت نهایی بارپذیری خاک نامیده می شود که معمولاً به نمایش داده می شود. اگر فشار وارد بر پی به آرامی و اندک اندک آنقدر افزایش یابد تا به ظرفیت نهایی بارپذیری خاک برسد، خاک اطراف پی از حالت تعادل الاستیکی (کشسانی) به حالت تعادل پلاستیکی (خمیری) تغییر می نماید. این تغییر از لبه های اطراف پی شروع شده و به تدریج به اطراف داخل پی و به سمت پائین و در پائین به اطراف و جوانب پی منتقل می شود تا اینکه خاک بین سطح شکست و تراز نهایی زمین رسیده و تعادل پلاستیکی برقرار شود. در این حالت یک شکست برشی کامل اتفاق و پی در درون خاک شکسته می شود. شکل 1-42 تغییر شکل خاک اطراف پی تکی وقتی فشار وارده بر خاک افزایش یابد را نشان می دهد.
ii-گونه های گسیختگی خاک و تراکم پذیری
در مورد تراکم پذیری خاک قبلاً در قسمت های دیگر به آن اشاره شده است. در ارتباط با بارپذیری خاک اضافه می کند وقتی از طریق پی نیرویی به خاک وارد می شود، خاک از طریق تقلیل حجم منافذ خود، تغییر شکل داده و متراکم می شود و چنانچه افزایش نیرو ادامه یابد خاک به حد گسیختگی می رسد. چنانچه قبل از گسیختگی، تغییر حجم قابل توجه و زیادی در خاک پیدا شود و یا در جهت وارد شدن نیرو، تراکم و تقلیل حجم قابل ملاحظه ای پیدا شود، دلیل بر وجود یک یا چند نوع گسیختگی ناشی از بارپذیری است. شکست خاک در اثر وارد شدن فشار از طریق پی به دلیل گسیختگی برشی خاک زیر پی است. گسیختگی برشی خاک زیر پی به سه نوع و یا سه شکل اتفاق می افتد؛ گسیختگی عمومی، گسیختگی محلی و گسیختگی موضعی. انواع مختلف گسیختگی خاک بستگی به شرایط تراکم پذیری نسبی خاک، شرایط هندسی و شرایط بارگذاری پی دارد.
گسیختگیعمومی:
گسیختگی عمومی مربوط به خاکهای متراکم است (خواه شن و ماسه و خواه ریزدانه) که در آنها تراکم پذیری ناچیز و یا کم است. گسیختگی عمومی یک مرتبه و ناگهانی اتفاق می افتد. گوه مثلثی شکل زیر پی در این گسیختگی کاملاً مشخص است و سطح شکست به صورت آشکاری از یک گوشه پی بصورت مورب ابتدا بطرف پائین، سپس با طی قوسی بطرف بالا ادامه یافته و تا سطح زمین ادامه می یابد (شکل شماره 1-43 الف). سطح زمین در اطراف پی متورم شده و بالا می آید. جابجایی و تغییر فرم خاک معمولاً با کج شدن پی به یک طرف همراه است.
منحنی فشار- نشست نشان می دهد که گسیختگی ناگهانی، در یک لحظه و به صورت منقطع است و شباهت به شکستن اجسام شکننده و ترد دارد: اکثریت مطلق خاکهای تهران چه در شمال و چه در جنوب شهر اگر به گسیختگی از طریق بارگذاری بر روی پی برسند، این نوع گسیختگی در آنها بوجود می آید، قبل از گسیختگی، مقاومت کامل برشی خاک در امتداد سطح شکست بوجود می آید و منحنی فشار- نشست برای درصد قابل توجهی از طول آن نزدیک به خط مستقیم و دارای ضریب زاویه ثابتی است و پس از آن نیز با افزایش فشار، منحنی تغییر جهت آرام و یکنواختی داده و تا رسیدن به ظرفیت نهایی بارپذیری خود ادمه می یابد و پس از آن شیب منحنی نزدیک به خط قائم خواهد شد (شکل شماره 1- 43 الف- منحنی سمت راست)
تأثیر موقعیت سطح آب زیرزمینی بر مقاومتخاک :
موقعیت سطح آب زیرزمینی ممکن است تأثیر قابل ملاحظه ای در ظرفیت بارپذیری پی های کم عمق داشته باشد. بطور کلی خاکی که به حالت غرقاب درآید چسبندگی ظاهری خود را از دست می دهد و در عین حال وزن مخصوص مؤثر خاک غرقاب شدیداً کم شده و تقریباً به حدود نصف همان خاک که در ترازهای بالاتر از سطح آب زیرزمینی قرار دارد، تقلیل می یابد. از آنجایی که اجزای سه گانه ظرفیت بارپذیری خاک بستگی به چسبندگی و وزن مخصوص مؤثر خاک دارد، لذا ظرفیت بارپذیری خاک وقتی سطح آب زیرزمینی بالا بیاید، در هر سه جزء تشکیل دهنده بارپذیری خاک تأثیر داشته و آنها را تقلیل داده و بارپذیری نهایی خاک را کم می کند. بالا آمدن آب زیرزمینی در خاکهای ریزدانه سبب تورم دانه های خاک و در خاکهای درشت دانه سبب تقلیل زاویه اصطکاک داخلی دانه های خاک می شود که همگی منجر به کم شدن ظرفیت نهایی بارپذیری خاک می شوند. بهمین جهت در محاسبه ظرفیت نهایی بارپذیری خاک و از آنجا تعیین مقاومت مجاز خاک باید تغییرات سطح آب زیرزمینی مورد توجه قرار گرفته و در محاسبات مقاومت مجاز خاک، بالاترین سطح آب زیرزمینی که می تواند در دوران عمر ساختمان به آن سطح برسد وارد شده و آن سطح در نظر گرفته شود. بهمین جهت در برآورد بالاترین سطح آب زیرزمینی که در طول عمر سازه یا ساختمانی ممکن است بوجود آید، عواملی مانند بالا آمدن موقت سطح آب زیرزمینی بعللی همچون بارندی های شدید استثنایی در یک محل، امکان وقوع سیل و یا عوامل مشابه دیگر که متعارفاً در آمارهای هواشناسی و آمار مشابه که معمولاً متوسط گیریها است نشان داده نمی شود باید رعایت شود.
برای بسیاری از سازه های دست ساخت بشر، خاکی که در زیر سازه قرار می گیرد، در نهایت عهده دار تحمل بار وارده از سازه می شود و ساختمان، بنا و سازه های مختلف در نهایت فشار خود را به خاک منتقل می کنند. لذا خاکی که در زیر محل احداث ساختمان و سازه است بطور خودکار جزو مصالح ساختمانی در می آید که پایداری ساختمان و سازه متأثر از آن است. بطور کلی و در مقایسه با سایر مصالح ساختمانی مانند فولاد، بتون، چوب، آلومینیوم و غیره، خاک مصالح ساختمانی ضعیفی است و به همین جهت برای تحمل فشار ناشی از احداث ساختمان که بطور رضایت بخشی آنرا برای مدت طولانی تحمل نماید باید سطح بسیار وسیع تر و یا حجم خیلی زیادتری از آن درگیر تحمل فشار وارده گردد. در هر سازه و ساختمانی بارهایی که بر بتون، فولاد، آجر و چوب وارد شده و باید آنرا بخاک ضعیف تر زیر سازه منتقل نماید، یک وسیله انتقال فشار لازم است که پی ساختمان یا سازه می باشد. نقش اساسی و وظیفه پی انتقال بار ناشی از وزن ساختمان به خاک زیر سازه به طریقی است که بر خاک تنش فوق العاده ای وارد نشده و تغییراتی در خاک بوجود نیاورد که باعث نشست مخرب و مزاحم برای سازه شود. نوع پی مناسب، رابطه تنگاتنگی با خصوصیات خاک زیر خود دارد بطوری که می توان گفت یک پی فقط زمانی می تواند نقش و وظیفه خود را بخوبی ایفا نماید که خاک زیر آن رفتار مناسب و مطلوبی داشته باشد. به همین جهت پی و خاک زیر آن جمعاً و رویهم بعنوان یک واحد تفکیک ناپذیر انتقال و تحمل فشار سازه محسوب می گردند. اگر چه مهندسان خاک و پی و مهندسان سازه و سازندگان حرفه ای بخوبی از این نکته آگاهی دارند، لیکن در عمل مرسوم شده که پی سازه را مستقل و جداگانه از خاک زیر آن در نظر بگیرند، زیرا پی یک عضو سازه ساختنی و هزینه بر است که باید در آن بتون، فولاد، گودبرداری، قالب بندی، دستمزد اجرا بکار برده شود در حالیکه خاک طبیعی زیر پی همانجا و بدون هیچگونه هزینه ای به وفور وجود دارد.
از آنجایی که مجموعه خاک- پی وظیفه تأمین تاب آوری و تحمل فشارهای وارده در طول عمر سازه را دارند، برای یک ساختمان بدون مخاطره که پایداری و ایستایی لازم را نیز داشته باشد، پی های آن ساختمان باید برای بدترین شرایط محتمل که ممکن است در طول عمر ساختمان پیش آید محاسبه و طراحی گردند. بهمین دلیل است که مهندسان طراح همیشه اثرات مجموع بارهای زنده و مرده را در نظر می گیرند و همچنین اثر بارهای دیگری که احتمالاً از تأثیر باد، برف، یخبندان، یخ، حرارت، آب، زمین لرزه،انفجار بوجود آیند نیز رعایت می گردند.
هر خاکی مقادیر مختلفی بارپذیری دارد. حداقل فشاری که سبب شکست برشی کامل خاک در اطراف پی می شود ظرفیت نهایی بارپذیری خاک نامیده می شود که معمولاً به نمایش داده می شود. اگر فشار وارد بر پی به آرامی و اندک اندک آنقدر افزایش یابد تا به ظرفیت نهایی بارپذیری خاک برسد، خاک اطراف پی از حالت تعادل الاستیکی (کشسانی) به حالت تعادل پلاستیکی (خمیری) تغییر می نماید. این تغییر از لبه های اطراف پی شروع شده و به تدریج به اطراف داخل پی و به سمت پائین و در پائین به اطراف و جوانب پی منتقل می شود تا اینکه خاک بین سطح شکست و تراز نهایی زمین رسیده و تعادل پلاستیکی برقرار شود. در این حالت یک شکست برشی کامل اتفاق و پی در درون خاک شکسته می شود. شکل 1-42 تغییر شکل خاک اطراف پی تکی وقتی فشار وارده بر خاک افزایش یابد را نشان می دهد.
ii-گونه های گسیختگی خاک و تراکم پذیری
در مورد تراکم پذیری خاک قبلاً در قسمت های دیگر به آن اشاره شده است. در ارتباط با بارپذیری خاک اضافه می کند وقتی از طریق پی نیرویی به خاک وارد می شود، خاک از طریق تقلیل حجم منافذ خود، تغییر شکل داده و متراکم می شود و چنانچه افزایش نیرو ادامه یابد خاک به حد گسیختگی می رسد. چنانچه قبل از گسیختگی، تغییر حجم قابل توجه و زیادی در خاک پیدا شود و یا در جهت وارد شدن نیرو، تراکم و تقلیل حجم قابل ملاحظه ای پیدا شود، دلیل بر وجود یک یا چند نوع گسیختگی ناشی از بارپذیری است. شکست خاک در اثر وارد شدن فشار از طریق پی به دلیل گسیختگی برشی خاک زیر پی است. گسیختگی برشی خاک زیر پی به سه نوع و یا سه شکل اتفاق می افتد؛ گسیختگی عمومی، گسیختگی محلی و گسیختگی موضعی. انواع مختلف گسیختگی خاک بستگی به شرایط تراکم پذیری نسبی خاک، شرایط هندسی و شرایط بارگذاری پی دارد.
گسیختگیعمومی:
گسیختگی عمومی مربوط به خاکهای متراکم است (خواه شن و ماسه و خواه ریزدانه) که در آنها تراکم پذیری ناچیز و یا کم است. گسیختگی عمومی یک مرتبه و ناگهانی اتفاق می افتد. گوه مثلثی شکل زیر پی در این گسیختگی کاملاً مشخص است و سطح شکست به صورت آشکاری از یک گوشه پی بصورت مورب ابتدا بطرف پائین، سپس با طی قوسی بطرف بالا ادامه یافته و تا سطح زمین ادامه می یابد (شکل شماره 1-43 الف). سطح زمین در اطراف پی متورم شده و بالا می آید. جابجایی و تغییر فرم خاک معمولاً با کج شدن پی به یک طرف همراه است.
منحنی فشار- نشست نشان می دهد که گسیختگی ناگهانی، در یک لحظه و به صورت منقطع است و شباهت به شکستن اجسام شکننده و ترد دارد: اکثریت مطلق خاکهای تهران چه در شمال و چه در جنوب شهر اگر به گسیختگی از طریق بارگذاری بر روی پی برسند، این نوع گسیختگی در آنها بوجود می آید، قبل از گسیختگی، مقاومت کامل برشی خاک در امتداد سطح شکست بوجود می آید و منحنی فشار- نشست برای درصد قابل توجهی از طول آن نزدیک به خط مستقیم و دارای ضریب زاویه ثابتی است و پس از آن نیز با افزایش فشار، منحنی تغییر جهت آرام و یکنواختی داده و تا رسیدن به ظرفیت نهایی بارپذیری خود ادمه می یابد و پس از آن شیب منحنی نزدیک به خط قائم خواهد شد (شکل شماره 1- 43 الف- منحنی سمت راست)
تأثیر موقعیت سطح آب زیرزمینی بر مقاومتخاک :
موقعیت سطح آب زیرزمینی ممکن است تأثیر قابل ملاحظه ای در ظرفیت بارپذیری پی های کم عمق داشته باشد. بطور کلی خاکی که به حالت غرقاب درآید چسبندگی ظاهری خود را از دست می دهد و در عین حال وزن مخصوص مؤثر خاک غرقاب شدیداً کم شده و تقریباً به حدود نصف همان خاک که در ترازهای بالاتر از سطح آب زیرزمینی قرار دارد، تقلیل می یابد. از آنجایی که اجزای سه گانه ظرفیت بارپذیری خاک بستگی به چسبندگی و وزن مخصوص مؤثر خاک دارد، لذا ظرفیت بارپذیری خاک وقتی سطح آب زیرزمینی بالا بیاید، در هر سه جزء تشکیل دهنده بارپذیری خاک تأثیر داشته و آنها را تقلیل داده و بارپذیری نهایی خاک را کم می کند. بالا آمدن آب زیرزمینی در خاکهای ریزدانه سبب تورم دانه های خاک و در خاکهای درشت دانه سبب تقلیل زاویه اصطکاک داخلی دانه های خاک می شود که همگی منجر به کم شدن ظرفیت نهایی بارپذیری خاک می شوند. بهمین جهت در محاسبه ظرفیت نهایی بارپذیری خاک و از آنجا تعیین مقاومت مجاز خاک باید تغییرات سطح آب زیرزمینی مورد توجه قرار گرفته و در محاسبات مقاومت مجاز خاک، بالاترین سطح آب زیرزمینی که می تواند در دوران عمر ساختمان به آن سطح برسد وارد شده و آن سطح در نظر گرفته شود. بهمین جهت در برآورد بالاترین سطح آب زیرزمینی که در طول عمر سازه یا ساختمانی ممکن است بوجود آید، عواملی مانند بالا آمدن موقت سطح آب زیرزمینی بعللی همچون بارندی های شدید استثنایی در یک محل، امکان وقوع سیل و یا عوامل مشابه دیگر که متعارفاً در آمارهای هواشناسی و آمار مشابه که معمولاً متوسط گیریها است نشان داده نمی شود باید رعایت شود.