سرفصل های درس مکانیک خاک و سنگ

نام بسته درسی: مکانیک خاک و سنگ

—————————–

فهرست:

مکانیک خاک

خاك چیست؟

کانی های رسی

روابط وزني – حجمي خاك

سختي خاك و خواص پلاستيكي خاكهاي دانه‌ريز

فعاليت

طبقه‌بندي خاك‌ها

طبقه بندی خاک های شنی

طبقه بندی خاک های ماسه ای

طبقه بندی خاک های ریزدانه

جريان آب در خاك

شیب هیدرولیکی

نفوذپذیری

نفوذپذیری خاک های لایه لایه

شبكه جريان

طريقه رسم شبكه جريان

تنش موثر

جوشش

تنش در محیط موئینگی

روش حباب تنش

روش نيومارك

تراكم

انرژی تراکم

تراکم صحرایی

روش های خاص تراکم

تراکم دینامیکی

تراکم به وسیله انفجار

پیش بارگذاری

روش های بهسازی خاک

شناسایی های تحت الارضی در خاک )حفر گمانه)

روش های نمونه گیری

نشست خاك

اصول تحکیم و نشست

آزمون آزمایشگاهی یک بعدی

نمودار نسبت تخلخل در برابر فشار

رس های پیش تحکیم یافته و عادی تحکیم یافته

محاسبه نشست در اثر تحکیم

نشست حاصل از ستون های استوانه ای روی خاک

خاک های مسئله دار

خاک های روانگرا

خاک های واگرا

خاک های انحلال پذیر

خاک های متورم شونده

خاک های رمبنده

خاک های خورنده

زمین های پست

تنش برشی خاک

تعیین پارامتر های مقاومتی خاک

آزمون 3 محوری

حساسیت یا تیکسوتروپی

مکانیک سنگ

سنگ ها و کاربرد مهندسی آنها

سنگ های آذرین

سنگهای دگرگونی

سنگ های رسوبی

تنش و کرنش

اندازه گیری ویژگی های سنگ

پدیده اتساع

انواع منحنی تنش کرنش در سنگ ها

رده بندی مهندسی سنگ های بکر آذرین

رده بندی مهندسی سنگ های بکر رسوبی

رده بندی سنگ های بکر دگرگونی

طبقه بندی توده سنگ

طبقه بندی بنیاوسکی RMR

طبقه بندی بارتون Q

رابطه بین طبقه بندی RMR و Q

شاخص مقاومت زمين شناسي (GSI)

طبقه بندی ساختاری توده سنگ RSR

طبقه بندی گرانیت ها بر اساس درجه هوازدگی شیمیایی

طبقه بندی سنگ ها بر اساس هوازدگی فیزیکی

معیار های گسیختگی در سنگ

معیار کولمب

معیار مور

معیار گریفیث

معیار هوک – براون

تحلیل پایداری شیب های سنگی

زمین شناسی

تحلیل ناپایداری سنگی

تحلیل پایداری به روش استریوگرافیک

مخاطرات زمین شناسی در تونل های سنگی

لهیدگی (Squeezing)

انفجار سنگ

زونهای خرد شده

کارست

بخشی از بسته درسی مکانیک خاک و سنگ:

مکانیک خاک

خاك چیست؟

خاک در تعارف مهندسی به مخلوط يكدست و سمنته نشده‌اي كه از دانه‌هاي كاني و مواد معدني و مواد غيرآلي كه فضاي خالی بين آنها را مايعاتي همچون آب و هوا اشغال كرده است.

کانی های رسی

خاک ها در طبقه بندی های مختلف حدود اندازه متفاوتی دارند ولی به طور کلی آنها را از نظر اندازه به دو دسته خاک های درشت دانه و ریز دانه تقسیم بندی می شوند. در میان خاک های ریز کانی های رسی باعث ایجاد خصوصیات منحصر به فرد این خاک ها مانند جذب آب، تورم و نشست و … می شود. کانی های رسی معمولا دارای دو بخش اصلی (مطابق شکل) هستند. یک بخش چهار وجهی سیلیکا و  یک بخش هشت وجهی آلومینا این دو بخش هستند. این دو بخش روی یکدیگر قرار می گیرند و کانی های مختلف رسی را تشکیل می دهند.

کائولینیت:

این کانی از یک لایه چهار وجهی و یکی لایه هشت وجهی تشکیل شده است. این لایه بندی تکرار می شود تا در نهایت ذراتی به ضخامت کمتر از 1000 آنگستروم تشکیل شود. با توجه به پیوند هیدروژنی ما بین واحد های تشکیل دهنده کائولینیت ها، از ورود آب به شبکه جلوگیری می شوند و به همین دلیل در میان کانی های رسی نسبت جذب آب آنها پائین بوده و در نتیجه تورم و نشست در خاکهای کائولینیتی ناچیز است.

ایلیت:

ساختار کانی های ایلیت به گونه ای است که یک ساختار آلومینا ما بین دو واحد از ساختار های چهار وجهی سیلیکا جای می گیرد و ما بین این مجموعه ها یون های پتاسیم قرار می گیرند. علت قرار گرفتن پتاسیم توازن بار در کانی ایلیت است و همین موضوع سبب می شود که پیوندها نسبت به کائولینیت ضعیف تر باشد و همین موضوع سبب جذب آب بیشتر در ایلیت نسبت به کائولینیت می شود.

مونت موریلونیت:

مونت موریلونیت ساختاری شبیه به ایلیت دارد با این تفاوت که به جای یون های پتاسیم مولکول های آب (مطابق شکل) وارد ساختمان  این کانی رسی می شوند. این موضوع سبب ضعیف تر شدن ساختار تشکیل دهنده این کانی شده و در نتیجه جذب آب آن چندین برابر کانی های کائولینتی خواهد بود.

سطح ویژه:

سطح ویژه به میزان سطح جانبی در واحد جرم گفته می شود. کائولینیت ها با 800 متر مربع بر گرم بیشترین سطح ویژه را در میان کانی های رسی دارد در حالی که ایلیت ها با حدود 100 و مونت موریلونیت ها با 15 متر مربع بر گرم سطح ویژه کمتری دارند.

جذب آب:

کانی های رسی در سطح خود دارای بار الکتریکی منفی هستند و همین باعث می شود دو قطبی های آب را از سوی مثبت آنها به خود جذب کنند. آب در سه لایه در اطراف کانی های رسی قرار می گیرد:

• لایه ای که دارای پیوند با دیواره کانی رسی است و ضخامت کمی دارد.
• لایه مضاعف که تراکم کمتری از لایه اول ولی ضخامت بیشتری نسبت به آن می باشد.
• لایه سوم که به صورت پراکنده پس از لایه دوم قرار می گیرد.

ساختار خاک:

ساختار خاک به نظم هندسی ذرات خاک و نحوه قرار گرفتن آنها نسبت به هم گفته می شود. شکل، اندازه، ترکیب کانیها و طبیعت ترکیب آب – خاک مهمترین عوامل تاثیر گذار در ساختار خاک ها هستند.

خاک ها از دیدگاه ساختار به دو دسته چسبنده و غیر چسبنده تقسیم بندی می شوند.

ساختار غیر چسبنده خود به دو گروه تقسیم بندی می شوند:

• ساختار تک دانه ای

در این حالت توده ذرات خاک در حال تعادل ، هر ذره خاک در تماس یا ذرات احاطه کننده خود است.  شکل و نحوه قرارگرفتن ذرات خاک نسبت به هم بیان گر تخلخل نسبی انهاست. به طوری که با فرض اینکه خاک از گوی های هم اندازه تشکیل شده در سست ترین حالت نسبت تخلخل (در ادامه معرفی خواهد شد) 0.91 خواهد داشت و در متراکم ترین حالت نسبت تخلخل 0.35 دارد. حال اگر ذرات ریز تر، شکل نا متقارن ذرات را به این موضوع اضافه کنیم مشخصا میزان نسبت تخلخل تغییر خواهد کرد.

• ساختار لانه زنبوری

در این حالت خاک های ماسه ای و سیلتی با تشکیل زنجیره هایی باعث تشکیل قوس هایی می شوند. این خاک ها نسبت تخلخل بزرگی دارند و تحت بارهای استاتیک مقاومت خوبی دارند ولی تحت بارهای استاتیک سنگین یا دینامیکی (زلزله) شکسته شده و نشست های بزرگی را بوجود می آورد.

به منظور شناخت ساختار خاک های چسبنده  باید رابطه بین ذرات خاک های رسی و آب را بدانیم. زمانی که دو ذره رسی به هم نزدیک می شوند به علت تمایل به رسوخ در لایه مضاعف نیروی دافعه ای بین  دو ذره بوجود می آید. در کنار این نیرو، یک نیرو جاذبه واندروالسی هم بین ذرات وجود خواهد داشت. زمانی که ذرات به هم نزدیک هستند این نیروی جاذبه بزرگتر است.

زمانی که رس ها در حالت معلق هستند ابتدا پراکنده می شوند و یکدیگر را دفع می کنند چون نیروی دافعه بزرگتر است. بنابراین ذرات خیلی آهسته ته نشین می شوند و با حرکت بروانی نوعی ساختار پراکنده (شکل روبرو) را بوجود می اورند.

زمانی که ذرات رس به هم نزدیک می شوند، لبه های دارای بار مثبت می توانند توسط سطوح دارای بار منفی جذب شوند. ذرات رسی رها شده در آب به حالت زیگزاگی به یکدیگر نزدیک شده و با همین نیروی جاذبه در سطح روی هم نگه داشته می شوند. به این حالت فولوکولاسیون می گویند و ساختار حاصل را ساختار لخته ای یا فولوکوله می گویند. رسوبات کف دریا عموما این ساختار را دارند.

تحقیقات نشان می دهد که ذرات رسی جدا از هم تمایل به لخته شدن در واحد میکروسکوپی دارند. این واحد ها را دومین گویند. ترکیب دومین ها کلاستر ها را بوجود می اورد و ترکیب کلاستر ها، پدها را بودجود می اورند که با چشم غیر مسلح قابل رویت است.

روابط وزني – حجمي خاك

اگر توده خاكي را با حجم v  و وزن  w  نشان دهيم داريم:

روابطي كه با اين قسمتها بوجود مي‌آيد عبارتند از:

تخلخل: كه به نسبت حجم فضاي خالي به كل حجم توده خاك گويند و با n  نشان مي‌دهند.

نسبت پوكي: كه به نسبت حجم فضاي خالي به حجم قسمت جامد گويند و با e نشان می دهند.

رابطه اين دو به اين صورت است:

درجه اشباع: به نسبت وزن آب موجود در توده خاك به وزن قسمت جامد را گويند و با S_r نشان مي‌دهند.

درصد هوا: به نسبت حجم هواي موجود در نمونه به حجم كل را گويند و با  A نشان مي دهند (كابرد زيادي ندارد)

دانسيته كل يا وزن واحد حجم

دانسيته خشك: نسبت وزن قسمت جامد به حجم كل

دانسيته قسمت جامد را با    نشان مي‌دهند.

وزن مخصوص كل را وزن واحد حجمي كل نمونه نسبت به دانسيته آب را گويند.

وزن مخصوص جامد را با   نشان مي دهند.

روابط كمكي

برای خاک اشباع داریم

تراكم نسبي: براي نشان دادن مقدار تراكم خاكهاي دانه‌اي استفاده مي‌كنند و با نشان مي دهند.

و به ترتيب خاكي با حداكثر تخلخل (كمترين تراكم) و حداقل تخلخل (بيشترين تراكم) است. e هم مقدار تخلخل طبيعي خاك است. هر چه مقدار تراكم نسبي به صفر نزديك شود خاك شل تر و هر چه  بيشتر شود خاك متراكم‌تر مي‌شود (حداكثر مقدار تراكم نسبي برابر با 1 است).

سختي خاك و خواص پلاستيكي خاكهاي دانه‌ريز:

در اين طبقه بندي آتربرگ از درصد رطوبت براي طبقه‌بندي آنها استفاده كرد. شایان ذکر است که برای تعیین درصد رطوبت های مختلف از ذرات عبوری از الک شماره 40 که اندازه آن در حد ماسه متوسط و ریز تر است استفاده می شود.

حد انقباض: حد بين حالت جامد و نيمه جامد می باشد. در رطوبت پايين‌ تر از اين حد هر چه رطوبت كم شود خاك تغيير حجم ندارد.

حد خميري:

خاصیت خمیر گونگی یا Plasticity از خصوصیات مهم خاک های رسی است. فصل بين حالت نيمه جامد و شكننده با حالت پلاستيك را حد خمیری گویند. این موضوع زمانی رخ میدهد که خاک آنقدر رطوبت داشته باشد که بتواند بدون خرد شدن به صورت رشته هایی به قطر 3 میلی متر مالش داده شود. رطوبت را تا جایی کاهش می دهیم که رشته های مذکور خرد شود. این حد تابع میزان رس است. بعضی از خاک های سیلتی و ماسه ای که در هیج رطوبتی نمی توانند به شکل فیتیله های نازکی ورز داده شود، حد خمیری ندارند و به انها خاکهای غیر پلاستیک گفته می شود. آزمایش حد خمیری در تعیین قابلیت تحمل بار خاک های غیر خمیری ارزشی ندارند. خاک های سیلتی و رسی حد خمیری بالایی دارند. میزان رطوبت این خاک ها تاثیری مستقیم بر قابلیت تحمل بار انها دارند. با کاهش رطوبت به زیر حد خمیری، قابلیت تحمل بار خاک به سرعت افزایش می یابد.

برای مشاوره اینجا بزنید