مقاله کامل مقایسه میزان شکست مصالح سنگریزه اي بر اساس فاکتور شکست مارشال

مقایسه میزان شکست مصالح سنگریزه اي بر اساس فاکتور شکست مارشال
خلاصه
بررسی رفتار مصالح سنگریزه اي در ساخت سدها و موج شکن‌ها با توجه به هزینه‌هاي زیاد، در طراح این سازه‌ها از کاربرد و اهمیت بسزایی برخوردار بوده و از طرفی تعیین دقیق پارامترهاي طراحی سازه و به علت ابعاد بزرگ نمونه‌هاي واقعی، استفاده از تجهیزات آزمایشگاهی بزرگ مقیاس اجتناب ناپذیر است. آزمایش سه محوري قطر بزرگ یک آزمایش اصلی براي تعیین پارامترهاي مقاومتی مصالح‌ می‌باشد. در این مقاله یازده نمونه از مصالح با دانه بندي خوب از مطالعات انجام شده در این راستا، تحت تنش‌هاي همه جانبه متفاوت به وسیله آزمایش سه محوري یزرگ مقیاس مورد تحلیل قرار گرفته است و در پایان پدیده شکست ذرات در آنها بررسی شده است.
کلمات کلیدي: مصالح سنگریزه اي، آزمایش سه محوري بزرگ مقیاس، شکست ذرات.
مقدمه‌
مصالح سنگریز که به عنوان پوسته، در سدهاي سنگریزه اي و موج شکن‌ها استفاده‌ می‌شوند، حجم قابل ملاحظه اي از عملیات خاکریزي و در نتیجه قسمت عمده هزینه‌هاي یک پروژه سدها سنگریز را شامل‌ می‌گردد. از این رو جهت بهینه سازي حجم عملیات پوسته و طراحی مطمئن، ایمن و در عین حال اقتصادي یک سد خاکی و سنگریز، شناخت رفتار واقعی و دقیق مصالح امري ضروري و مهم‌ می‌باشد.‌
از طرفی دیگر تعداد زیاد پروژه‌هاي سد سنگریزه اي در دست احداث و لزوم انجام آزمایش به منظور تعیین رفتار و شناخت دقیق مصالح سنگی، ضرورت امر تحقیقات بر روي مصالح درشت دانه را بیش از پیش به وجود‌ می‌آورد. در این مقاله با استفاده از نتایج حاصله از آزمایش سه محوري بزرگ
مقیاس بر روي 12 نمونه میزان شکست ذرات را بررسی‌ می‌نماییم.‌ بررسی اثر شکست دانه‌ها روي رفتار مصالح
در بررسی تنش‌هاي همه جانبه، طبق تحقیقات پدیده شکست ذرات تحت تاثیر اندازه ذرات و فشار همه جانبه است[1]. طبق بررسی‌هاي صورت گرفتهبر روي رفتار ماسه‌ها در فشار پایین، ذرات گوشه دار بیشتر از ذرا ت دیگر خرد و متراکم‌ می‌شوند و ذرات گرد گوشه داراي قابلیت فشردگی بسیار کمتر و مقاومت بیشتري در مقابل خرد شدگی‌ می‌باشند. در فشار‌هاي بالا تفاوت بین رفتار ماسه گرد گوشه و گوشه دار کمتر احساس‌ می‌شود.‌
آزمایشات سه محوري فشاري روي شن‌ها ونمونه‌هاي سنگریزه اي و ماسه‌ها در فشارهاي همه جانبه زیاد نشان دادند که دانه بندي مصالح دانهاي در طول مرحله بارگذاري به علت شکست دانه‌ها تغییر‌ می‌کند[2].‌
براون و کاست [3]پیشنهاد کردند که آزمایش سه محوري روي مصالح سنگریزه اي همیشه بایستی بوسیله اعمال بارهاي مرحله اي (نرخ کرنش ثابت) انجام شود. آنها همچنین نشان دادند که این مصالح به فاصله زمانی قابل ملاحظه اي براي واکنش نسبت به هر تغییر تنش نیاز دارند. این پدیده بیشتر مربوط به این واقعیّتّ است که هر تغییر شکل کلی یک نمونه سنگریزه اي، نتیجه اثرات شکست دانه‌ها است و نه اثرات لغزش و سُرُ خوردگی است و بدیهی‌ می‌باشد که توسعه تغییر شکل‌ها نیز به فاصله زمانی نیاز دارد.‌
رفتار تنش‌ کرنش یک المان خاك تحت بارگذاري، متاثر از درجه خرد شدگی ذرات‌ می‌باشد. در فشار یک بعدي و یا فشار سه محوري، خرد شدگی، کاهش حجم مصالح را افزایش‌ می‌دهد و نرخ اتساع را کاهش‌ می‌دهد[4].‌
طبق نتایج لی و فرهومند[5]خرد شدگی در خاکهاي دانه اي فرآیندي آنی نیست و در مدت زمانی مشابه زمان وقوع نشست ثانویه در رس‌ها با نرخ کاهشی ادامه‌ می‌یابد.
حتی در خاکریزهاي خوب و خاکریزهاي سیلابی، اغلب قلوه سنگ‌هاي درشت در طول آزمایش و در فشار همه جانبه نسبتاً کم‌ می‌شکند. در شناسایی‌هاي تحلیلی انجام شده بوسیله براون[6]مطالعه رفتار مکانیکی توده‌هاي دانه اي بوسیله مدلهاي شبیه توده‌هاي انباشته شده منظم، انجام گردید. براون اثر نیروهاي تماس بحرانی در این نوع آنالیز را معرفی کرد و نشان داد که اگر در آزمایش سه محوري، فشار جانبی از مقدار مشخصی که بوسیله مقاومت ذرات تعیین‌ می‌شود بیشتر شود، در این صورت نسبت تنش‌هاي بحرانی به مقدار زیادي کاهش‌ می‌یابد. جهت ایجاد رفتار شکننده در مصالح، توده به کار رفته براي انجام این آزمایشات، از کره‌هاي شیشه اي ساخته شده بود.‌
محققان زیادي در خصوص وقوع پدیده خردشدگی مصالح در تنش‌هاي بالا تحقیق کرده اند. حال آنکه این پدیده در تنش‌هاي پایین نیز روي‌ می‌دهد و تابعی از خصوصیات و ویژگی‌هاي کیفی مصالح است. بنابر نتیجه گیري مارسال، مهمترین عامل تاثیر گذار در مقاومت برشی و قابلیت فشردگی مصالح سنگریزه اي، پدیده شکست ذرات تحت تنش دور گیر و یا انحرافی است.‌
در محدوده فشارهاي جانبی کم، مقاومت توده در اثر اصطکاك حاصل از برخورد ذرات یا نسبت تنش‌هاي نهایی ثابت کنترل‌ می‌شود. (بر طبق یک زاویه اصطکاك داخلی ثابت). بیش از یک فشار محفظه معین، ظرفیت باربري توده متراکم شده فقط به وسیله شکست ذرات کنترل‌ می‌شود و در نتیجه با افزایش فشار جانبی نسبت تنش‌هاي نهایی کاهش‌ می‌یابد. بنابراین مقاومت یک توده دانه اي کوبیده شده بوسیله هر دو پارامتر
اصطکاك و لغزش یا بوسیله شکست و فروریزش کنترل‌ می‌شود که براحتی‌ می‌توان از یکدیگر تفکیک کرد. موقعی که آزمایشات تصادفی روي توده‌هاي دانه اي کوبیده شده انجام‌ می‌گیرد، خط مرزي بین رفتار اصطکاکی و شکستگی ناپدید‌ می‌شود. این موضوع در شکل پایین دیده‌ می‌شود که مثالی از نتایج آزمایشات سه محوري روي یک شن کوارتز یکنواخت‌(3 تا 6 میلی متر) است که در محدوده گسترده اي از فشار محفظه انجام شده است.‌
شکل نشان‌ می‌دهد که در تراز تنش‌هاي مختلف، چگونه نسبت تنش‌هاي ماکزیمم کاهش‌ می‌یابد و دامنه شکست ذرات افزایش‌ می‌یابد. در شکل همچنین تغییرات تنش کرنش حجمی با افزایش تراز تنش‌ها نشان داده شده است. تنش‌هاي بزرگتر کرنش محوري بیشتري را دارند و رسیدن به ماکزیمم تنش‌هاي برشی و دانسیته کوبیده شده بیشتر، باعث تحمیل فشار حجمی در طول برش‌ می‌شود. تغییر شکل‌هاي محوري در هنگام شکست در
آزمایشات سه محوري فشاري از حدود 2 درصد براي تنش همه جانبه 1 Kg/cm3 تا 10 درصد و بیشتر براي همه جانبه 25 Kg/cm2 تغییر‌ می‌کند.‌
مارسال نتیجه گرفت که تغییر شکل‌هاي بزرگ به علت خرد شدگی دانه‌ها و در نتیجه تغییر آرایش ذرات اتفاق‌ می‌افتد. همچنان که توسط مارسال و سایرین بحث شده است، پدیده کاهش مقاومت برشی با افزایش فشار جانبی به شکستن و تقسیم شدن دانه‌هاي موجود در نمونه مرتبط است.
علت شکستن دانه‌ها و کاهش نسبت تنش‌هاي اصلی در گسیختگی بر اثر افزایش فشارهاي جانبی، فشار بسیار زیاد بین دانه اي در محل اتصال دانه‌ها به یکدیگر است. این نیروها با افزایش اندازه دانه‌ها و ضریب یکنواختی افزایش‌ می‌یابد. همچنین خاك با دانه بندي یکنواخت بیشتر از خاك خوب دانه بندي شده خرد‌ می‌شود. تفاوت بین حداکثر بار قابل اعمال
به یک توده سنگریزه اي از مصالح خوب دانه بندي شده نسبت به مصالح با دانه بندي یکنواخت، با افزایش تنش‌هاي همه جانبه افزایش‌ می‌یابد.‌
مقدار Bg1‌ با افزایش سایز ذرات و فشار همه جانبه افزایش‌ می‌یابد. تاکید‌ می‌شود که تاثیر فشار همه جانبهبر روي مصالح تیز گوشه بیشتر از مصالح گرد گوشه است، بعبارتی نرخ افزایش شکستگی با افزایش فشار همه جانبه در مصالح تیز گوشه بیشتر است. مقدارشکستگی در فشار‌هاي بالا در مصالح تیز گوشه بیشتر از مصالح گرد گوشه بدست آمده، برعکس در فشار‌هاي پایین میزان شکستگی در مصالح گرد گوشه بیشتر است[7].‌
همچنین در زمینه دانه بندي، تحقیقات مقدار زاویه مقاومت برشی در مصالح گرد گوشه با افزایش سایز ذرات افزایش‌ می‌یابد بر خلاف آنچه درمورد مصالح تیز گوشه مشاهده شد. لازم به ذکر است که بر اساس همین تحقیقات رفتار مصالح گرد و تیز گوشه با تغییرات سایز متمایز از یکدیگر است[8].‌
هرچند با افزایش قفل و بست بین ذرات مقاومت افزایش‌ می‌یابد ولی افزایش خردشدگی سبب کاهش مقاومت برشی خواهد شد. عموماً مقاومت مصالح سنگریز تحت تأثیر شکست ذرات قرار دارد. مصالح با شکنندگی زیاد معمولاً مقاومت برشی کمتري دارند در صورتیکه مصالح با شکنندگی کم مقاومت برشی بیشتري را نشان‌ می‌دهند. به طور کل مصالح آبرفتی افزایش در زاویه مقاومت برشی را با افزایش سایز به همراه دارند[9]،[10]ودر مصالح انفجاري کاهش زاویه مقاومت برشی با افزایش سایز ذرات همراه خواهدبود[11].‌
ترزاقی و پک[12] با انجامیک سري آزمایشات فشاري سه محوري بیان کردند که با افزایش قطر سنگدانه‌ها قابلیت فشردگی مصالح نیز افزایش‌ می‌یابد. تحقیقات هولتز
وگیبس[13] بر روي شن و ماسه رودخانه اي (گرد گوشه) نشان داد که با افزایش مقدار شن تا حد بهینه مقاومت مصالح بالا رفته و از حدي به بعد کاهش یافته یا ثابت‌ می‌ماند. این موضوع با تحقیقات وارادراجان[14]نیز تطابق دارد.‌
عوامل موثر بر شکست دانه‌ها
اجزاء خاك تشکیل دهنده مصالح سنگریزه اي ممکن است با یکدیگر متفاوت باشند و برخی از دانه‌ها ممکن است از چندین کانی با خواص مکانیکی متفاوت تشکیل شده باشد. دانه‌هاي سنگ معمولاً شکننده هستند و مقاومت فشاري آنها 4 برابر یا بیشتر از 4 برابر مقاومت کششی آنهاست، همچنین دانه‌هاي سنگ ممکن است در اثر هوازدگی داراي ترك و تخلخل باشند. این موارد درجه پیچیدگی پروسه شکست را با در نظر گرفتن طبیعت مصالح نشان‌ می‌دهد. در یک توده دانه اي، تنش‌ها از سطوح تماسی دانه‌ها به یکدیگر انتقال‌ می‌یابد. به علاوه پارامترهاي آماري نیروهاي تماسی و هندسه نامنظم ساختمان دانه‌ها و سطح تماس، ممکن است پیشگویی حالت تنش‌ها در درون اجزاء خاك را غیر ممکن سازد. مارسال[15]بیان داشت که خرد شدگی تابعی از شدت نیروي میانگین بین ذرات و مقاومت فشاري تک محوري سنگ است[16]. حتی در تنش‌هاي پایین نیز خرد شدگی ذرات روي‌ می‌دهد. مطابق تحقیقات مارسال [17]خرد شدگی سنگریز به جنس سنگ و نوع کانی‌هاي تشکیل دهنده آن وابسته است. که خود قابلیت فشردگی و تغییر شکل را تحت تاثیر قرار‌ می‌دهد[18].
فاکتور شکست مارشال
مقدار خرد شدگی در حین بارگذاري یک نمونه خاك با مقا یسه منحنی دانه بندي قبل و بعد از بارگذاري اندازه گیري‌ می‌شود. در این راستا مشکل انتخاب روشی است که به طور مناسب خرد شدگی مصالح را تحت پوشش قرار دهد. یکی از
روش‌هاي معمول اندازه گیري مصالح عبوري از یک الک مشخص است.‌
لسلی[19]درصد عبوري از الکی را انتخاب کرد که 100% مصالح اولیه روي آن باقی‌ می‌مانند، وي[20]با اصلاح نظریه خود درصد افزایش عبوري از الکی را انتخاب کرد که 90% مصالح از آن عبور‌ می‌کنند. در روش مارسال[21]افزایش در صد عبوري از یک الک مشخص اندازه گیري‌ می‌شود. به منظور در دست داشتن نشانه اي براي شکست دانه‌ها در مدت آزمایش سه محوري روي مصالح سنگریزه اي مارسال پارامتر شکست دانه‌هاBg را تعریف کرد، که بیانگر تمایل مصالح به شکسته شدن تحت بار است. مقدارBgدرصد وزنی دانه‌هاي جامدي است که تحت شکست قرار‌ می‌گیرند.
ارزیابی میزان شکست
به منظور در دست داشتن پارامتري که بتوان بوسیله آن مقدار شکستگی دانه‌ها را در اثر بارگذاري را ارزیابی کرد فاکتور شکست مارسال به عنوان یکی از این پارامترها معرفی گردید. فاکتور شکست مارسال بر اساس تغییرات منحنی دانه بندي در قبل و بعد از آزمایش به ترتیبی که گفته شد عددي ارائه‌ می‌کند که نشان دهنده کمّی میزان شکست دانه‌ها‌ می‌باشد.‌ علاوه بر فاکتور شکست مارسال Bg فاکتورهاي دیگري هم توسط محققین اندازه گیري تغییرات دانه بندي در اثر شکست ذرات معرفی و به کار برده شده اند. تفاوت بین قطر مؤثر اولیه و قطر مؤثر نهایی دانه‌ها، نشان‌ می‌دهند که فاکتور شکست مارسال به جز در مقادیر کوچک Bg، عملاً متناسب با (
𝑑
10 𝑖
−
𝑑
10 𝑓
)است d10i قطر مؤثر اولیه دانه‌ها وd10 f قطر مؤثر نهایی پس از انجام آزمایش و بارگذاري نمونه‌ها‌ می‌باشد. شکست دانه‌ها‌ می‌تواند بوسیله تغییر منحنی دانه بندي یا بوسیله نسبت
𝑑
15 𝑖
𝑑
15 𝑓
که توسط لی در سال 1960 پیشنهاد
شد ارزیابی شود. همچنین مقدار تغییر d 50در انتهاي آزمایش هم، براي مقایسه میزان شکستگی دانه‌ها در طول آزمایش به کار رفته است این تغییر را‌ می‌توان با نسبت
𝑑
15 𝑖
𝑑
15 𝑓
نشان داد.‌
مصالح سنگریزه اي
در این مقاله به بررسی 12 نمونه از مصالح سنگی از یک یا چندکانی متفاوتبا دانه بندي خوبو با دو نوع تیزگوشه و گرد گوشه پرداخته شده است. این نمونه‌ها ازسدهاي آیدوغموش، سهند [22]، [23]و همچنین نمونه‌هاي آقاي دکتر غروي [24]و سهنمونه مورد مطالعه از سنگریزه‌هاي استان گیلان‌ می‌باشد. دانه بندي مصالح یکی از مهمترین عواملی است که بر روي مقاومت و قدرت باربري آن‌ها تاثیر دارد. و این دانه بندي با انجام آزمایش دانه بندي و رسم منحنی آن تعیین‌ می‌شود. دانه بندي مناسب با توجه به عوامل متعددي که در پروژه مورد نیاز است ارزیابی شده و اندازه درشت ترین دانه مصالح تعیین‌ می‌شود. براي هر مورد حدودا دانه بندي‌هایی مناسب توسط آیین نامه‌هاي فنی مشخص‌ می‌شود که معمولا به صورت دو منحن ی حدي است که منحنی دانه بندي مصالح سنگی باید بین این دو منحنی و حتی الامکان در وسط و به موازات آن‌ها قرار گیرد.‌
بخشی از مصالح شنی که از الک شماره 200 رد میشود، قسمت ریزدانه و آن چه که بر روي این الک‌ می‌ماند قسمت درشت دانه مصالح نامیده‌ می‌شود مصالح شنی چون داراي مواد چسبنده نیستند، لذا نوع دانه بندي آن‌ها به خصوص درصد مواد ریزدانه، درشت دانه، خصوصیات خمیري و میزان تراکم نقش مهمی در تعیین مقاومت این نوع مصالح ایفا‌ می‌کند. حداکثر اندازه دانه‌ها براي آزمایش سه محوري قطر بزرگ 25 میلی متر‌ می‌باشد لازم ب ه ذکر است که تعیین این ابعاد بر
اساس حداقل ابعاد نمونه آزمایشگاهی انجام میگردد. بعد از تهیه و اختلاط نمونه‌هاي مورد آزمایش در آزمایشهاي سه محوري بزرگ مقیاس براي بازسازي شرایط واقعی مصالح در پوسته سد، بایستی نمونه‌ها در آزمایش سه محوري توسط کمپکتور برقی متراکم گردند. نمونه‌هاي آزمایشی از نوع نمونه‌هاي بازسازي شده‌ می‌باشند که با وزن مخصوص خشک نظیر 95% وزن مخصوص خشک حداکثر در آزمایش تراکم اصلاح شده و با درصد رطوبت اپیتمم تهیه شده اند. نامگذاري، جنس ذرات و همچنین میزان شکست مصالح در جدول 1 و شکل شماره 1 نشان داده شده است.
جدول 1- نامگذاريو جنس نمونه‌ها
/
شکل 1– نمودار میزان شکست ذرات در فشار‌هاي همه جانبه متفاوت
نتیجهگیري
مصالح گرد گوشه نسبت به مصالح تیزگوشه کمتر مستعد شکست هستند.‌
افزایش سایز ذرات سبب افزایش خرد شدگی نیز خواهد شد که دلیل آن افزایش نیروهاي تماسی در واحد سطح است.
نرخ افزایش شکستگی در مصالح ضعیف تر مانند دولومیت بیشتر از مصالح قویتر همانند بازالت است.‌
نرخ افزایش شکستگی در مصالح تیز گوشهبیشتر از مصالح گرد گوشه است.‌
مصالح تیز گوشه و گرد گوشه با سنگدانه‌هاي سخت و مقاوم تر میزان باربري بیشتري را از خود نشان‌ می‌دهند.‌
با افزایش تنش همه جانبه، میزان خرد شدگی افزایش‌ می‌یابد. 7. به طور کل‌ می‌توان نتیجه گیري کرد که رفتار مصالح سنگریز به ترکیبات معدنی، سایز مصالح، شکل ذرات، دانه بنديو چگالی نسبی مصالح وابسته است. ‌
مراجع
Varadarajan, A., Sharma, K. G., Venkatachalam, K., and Gupta, A. K. (2003) “Testing and modeling two rockfill materials”J. Geotech. Geoenviron. Eng., 129, 3, 206–218.
Marsal, R. J. (1967) “Large scale testing of rockfill materials” J. Soil Mech. Found. Div., 93, 2, 27–. 34
Brauns, J. and Kast, K. (1991) “Laboratory testing and quality control of rockfill,”, advances in Rockfill Structures German partice, NATO ASI series, pp. 195-219.
Hardin Bobby O.; “1-D strain in normally consolidated cohesionless soils”; Journal of geotechnical engineering; vol. 113; no. 12; 1987; pp 1449-. 7641
Lee. K, and Farhoomand, I.; “Compressibility and crushing of granular soil in anisotropic triaxial compression”;Con. Geotech Journal; 1967; vol IV;No. 1; pp 68-. 68
Brauns, J. (1968) “Über den Einfluß des Einzelkornbernberuches a uf die Belastbarkeit von Haufwerken, besondersvon regelmäbigen Kugelpackungen, im Dreiaxialversuch”, Veröffentlichungen des Institutes für Boden-und Felsmechanik der Universität Karlsruhe, Heft 33. ‌
Varadarajan, A., Sharma, K. G., Venkatachalam, K., and Gupta, A. K. (1999) “Constitutive modelling of rockfill materials” Proc., 4th Int. Conf. on

فایل : 13 صفحه

فرمت : Word