بررسی تأثیر عامل سمنتاسیون بر مقاومت برشی زهکشی شده خاکهای رسی پیش تحکیم یافته

بررسی تأثیر عامل سمنتاسیون بر مقاومت برشی زهکشی شده خاک های رسی  پیش تحکیم یافته

بهنام برومند زاده ، سامان عفیفی ، محمدسیروس پاکباز

1- عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد رامهرمز (مولف رابط)  

2- عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد رامهرمز

3- دانشیار دانشگاه شهید چمران اهواز

 

چكيده  بررسی تأثیر عامل سمنتاسیون بر مقاومت برشی زهکشی شده خاکهای رسی پیش تحکیم یافته

 منظور از مقاومت برشی خاکها، مقاومت در برابر حرکت دانه ها در سطوح تماس آنهاست که نتیجه درهم قفل شدگی ذرات و پیوندهای موجود بین ذرات خاک می باشد.

سوالات تحقيق:

 پیوند شیمیایی که یکی از انواع پیوند های بین ذره ای است و نتیجه وجود کربنات کلسیم می باشد که عامل مقاومت ذرات دربرابر جابجایی است و ازآن به سمنتاسیون نام برده می شود و می تواند عامل مهمی در افزایش مقاومت برشی زهکشی شده خاکهای رسی پیش تحکیم یافته باشد.

روش تحقیق:

 جهت بررسی اثر این پیوند بر مقاومت برشی خاکها از یک ترکیب ثابت که مخلوطی از %70 ماسه و 30% رس بنتونیت می باشد استفاده شده است. در این ترکیب خاص با اضافه کردن مقدار 5% وزنی مخلوط از سیمان، نمونه های پیش تحکیم یافته ای با درجات مختلف سمنتاسیون  در سن 7روز و 28 روزه ایجاد شده و تحت آزمایش برش مستقیم قرار گرفته است. و نتایج با مقاومت برشی پیش تحکیم یافته نمونه های بدون سیمان مقایسه شده است.

نتیجه گیری:

 نتایج حاکی از آن است که در یک تنش نرمال مؤثر با افزایش درجه سمنتا سیون ، ترکیبات مقاومت برش بالاتری نسبت به مخلوط بدون سیمان نشان داده است و با افزایش درجه سمنتا سیون، ترکیبات دارای یک گسیختگی تردتر بوده و ضریب m  مقاومت برشی پیش تحکیم یافته کاهش و مقاومت برشی نمونه ها افزایش یافت. 

کلمات کلیدی : چسبندگی ، سمنتاسیون ، مقاومت برشی پیش تحکیمی ، پیوند بین ذره ای

 

1- مقدمه

مقاومت برشی خاک ها نتیجه مقاومت در مقابل حرکت در سطوح تماس بین ذرات می باشد. این مقاومت با افزایش نیروی قائم بین ذرات و ایجاد پیوند در سطح تماس به همراه در هم قفل شدگی ذره ها باعث ممانعت از حرکت های لغزشی یا مماسی شده که در نهایت مقاومت برشی را ایجاد می نماید . پیوند های ایجاد شده شامل دو نوع پیوند فیزیکی و شیمیایی می باشد . مکانیسم اصلی بوجود آورنده پیوند فیزیکی ، یعنی پیوند والانس اولیه در پاسخ به تنش قائم مؤثر در توده ذرات خاک می باشد در این پیوند اتم های سطحی در سطح تماس ذرات با به اشتراک گذاشتن الکترون ها به هم متصل شده ، بنابراین این پیوند دارای یک طبیعت فیزیکی است . نوع دیگر پیوند بین ذرات که باعث افزایش مقاومت برشی می گردد ، پیوند های شیمیایی سمنتاسیون است. دراین پیوند، ذرات خاک بوسیله یک ماده جامد مثل کربنات کلسیم بهم متصل شده و جهت شکستن این پیوندهای شیمیایی نیروی برشی بیشتری نیاز می باشد که باعث افزایش مقاومت برشی خواهد شد.

مصری و عبدالغفار (1993)، چسبندگی c' را پارامتری مهم در تحلیل پایداری در خاک های رسی معرفی کردند شکل.1، موقعیت سطح لغزش بحرانی در سه چسبندگی متفاوت مربوط به خاک رس لندن را نشان می دهد . دراین شکل ، عامل ایمنی در برابر گسیختگی و افزایش ضریب اطمینان به طور چشمگیری وابسته به چسبندگی فرض شده در سطح گسیختگی دارد. به دلیل اینکه پوش گسیختگی خاک های رس پیش تحکیم یافته مقعر می باشد ، بنابراین هر کدام از مقادیر چسبندگی c' در یک محدوده مشخص از این پوش گسیختگی غیر خطی موهر، بدست آمده است.

 

شکل (1) : سه موقعیت سطح لغزش در خاک رس لندن

2- روش کار

جهت بررسی و تحلیل اثر پیوند سمنتا سیون بر مقاومت برشی و ضریب های وابسته به آن ، در ترکیب مخلوط 70 % ماسه و  30 % بنتونیت ، دو حالت سمنتاسیون با درجات مختلف ایجاد شده است . ماسه مورد استفاده در مخلوط، ماسه تمیز و عبوری از الک نمره 40 بوده و رس بنتونیت مورد استفاده دارای حد روانی  293 ، حد خمیری 109 و شاخص خمیرایی 184 می باشد. جدول1، مشخصات مخلوط حاصل از ترکیب بنتونیتی و ماسه را نشان می دهد.

 

AC	( %) CF	( %)  wopt	( %)  PI	( %)PL	( %) LL
06/2	5/32	18	9/66	1/21	88

جدول1- مشخصات مخلوط بنتونیت و ماسه

 

در این روش بکار گرفته شده ، جهت ایجاد پیوند سمنتاسیون از مقدار کمی سیمان در حدود 5 درصد وزنی کل مخلوط ، استفاده شده است. جهت برآورد حالت پیش تحکیم یافتگی، نمونه ها را در رطوبت بهینه آماده کرده و مطابق آزمایش تراکم استاندارد، درون قالب تراکم فشرده شده است. سپس نمونه ها را پس از خروج از قالب تراکم درون رینگ دستگاه تحکیم قالب کرده و تا تنش 1532 کیلوپاسکال درحالت اشباع و بصورت مرحله ای تحکیم داده شده است. در هر نمونه سعی شده که نحوه باربرداری ارتباط مستقیم با تنش نرمال مؤثر در آزمایش برش مستقیم همان نمونه که در ادامه انجام خواهد شد، داشته باشد . بدین ترتیب در هر نمونه پس از انجام عملیات بارگذاری ، باربرداری در دو مرحله انجام شده . در مرحله اول باربرداری تا آن تنش صورت گرفته که قرار است نمونه این تنش را بعنوان تنش نرمال مؤثر در آزمایش برش مستقیم تحمل کند . در این مرحله محفظه تحکیم پر از آب بوده و نمونه در حالت اشباع کامل باربرداری شده است. بنابران به نمونه اجازه داده شده است که تا آنجا که تمایل دارد آب جذب کرده و تورم نماید . در مرحله دوم ، آب درون محفظه بطور کامل تخلیه شده و ادامه باربرداری بصورت یک مرتبه و در مدت زمان کوتاه انجام شده و بلافاصله نمونه ازدرون دستگاه خارج شده تا به نمونه در مرحله دوم اجازه جذب آب و تورم داده نشده باشد. سپس نمونه تحکیم داده شده از درون رینگ تحکیم خارج شده و پس از موم اندود شدن جهت جلوگیری از دست خوردگی ، در دو گروه نگه داری شده است. شکل2. گروه اول پس از مدت 7 روزه و گروه دوم پس از مدت 28 روز مورد آزمایش برش مستقیم در تنش های نرمال از پیش تعیین شده متفاوت قرار گرفته است. شکل 3 موقعیت تنش نرمال مؤثر نمونه های پیش تحکیم یافته در حین انجام آزمایش برش مستقیم را نشان می دهد.

 با انجام مراحل گفته شده بر روی پنج نمونه از ترکیب مخلوط بنتونیت و ماسه و ترسیم منحنی تنش برش در برابر جابجایی افقی ، مقدار تنش برش حداکثر تمام نمونه ها بدست آمده و در نمودار () پوش گسیختگی حالت پیش تحکیمیافته ترسیم شده است. سپس نتایج حاصل شده از مقاومت های 7 روزه و مقاومت های 28 روزه و نیز مقاومت های  نمونه های بدون سیمان با هم مقایسه شده است.

 

شکل (2) : نحوه نگه داری نمونه های سمنت شده

 

شکل (3) : موقعیت تنش نرمال مؤثر نمونه های پیش تحکیم یافته در حین انجام آزمایش برش مستقیم

 

3- نتایج آزمایشات برش مستقیم

همان گونه که در شکل های 4 و 5  قابل مشاهده است دریک تنش نرمال مؤثر با افزایش درجه سمنتاسیون ، ترکیبات ، مقاومت برش بالاتری نسبت به مخلوط بدون سیمان شکل 6  ، نشان داده است. علاوه بر آن با افزایش درجه سمنتاسیون، ترکیبات دارای یک گسیختگی ترد تر می باشد. این ترکیبات با ایجاد پیوند سمنتا سیون بین ذره ای که عامل مقاومت ذرات دربرابر جابجایی است ، نیروی برشی بالاتری برای گسیختگی نیاز داشته و با افزایش تنش برشی ، پیوند ها بطور ناگهانی شکسته شده و منحنی تنش _ کرنش آنها دارای یک پیک مشخص تری نسبت به ترکیب بدون سیمان است.

 

شکل (4) : نمودار تنش برشی - جابجایی افقی حاصل از آزمایش برش مستقیم برای نمونه  70% ماسه + 30%  بنتونیت، به همراه 5% سیمان اضافه شده، با مقاومت 7 روزه سیمان

 

شکل (5) : نمودار تنش برشی - جابجایی افقی حاصل از آزمایش برش مستقیم برای نمونه 70% ماسه  + 30% بنتونیت،  به همراه 5% سیمان اضافه شده، با مقاومت 28 روزه سیمان

  

شکل (6) : نمودار تنش برشی - جابجایی افقی حاصل از آزمایش برش مستقیم برای نمونه  70% ماسه  +30% بنتونیت

 

4- پوش گسیختگی پیش تحکیم یافته

 در شکل7 ، پوش گسیختگی مخلوط 70% ماسه و 30 % بنتونیت متراکم شده در سه حالت از نظر درجه سمنتاسیون ترسیم شده است. در این پوش های گسیختگی حاصل شده ، افزایش تنش نرمال مؤثر باعث افزایش در پیوند فیزیکی و شیمیایی شده است ولی درادامه این افزایش با توجه به کاهش نرخ افزایش سطح تماس ذرات و شکستن پیوند های شیمیایی ، روند صعودی این پوش ها ، کاهش پیدا کرده و یک حالت انحنا در پوش بوجود آمده است . همانگونه که در شکل7 مشخص است ، تفاوت های اضافی در مقاومت برشی در هر دانسیته و تنش قائم مؤثر ، در اثر حضور درجات متفاوت پیوند شیمیایی سمنتاسیون بین ذرات می باشد. در هر تنش نرمال مؤثر به دلیل وجود پیوند های سمنتاسیون محکم تر ، مقاومت برشی بیشتری حاصل شده است . پس می توان گفت که وجود پیوندهای شیمیایی یکی از علت های مهم در ایجاد مقاومت توده خاک دربرابر نیروی برشی در حالت زهکشی شده  می باشد. از طرفی با افزایش درجه سمنتاسیون پوش گسیختگی انحناء بیشتری پیدا کرده است. تغییرات در تنش قائم مؤثر مستقیماً بر پیوند فیزیکی بین ذرات و غیر مستقیم بر پیوند شیمیایی بین ذرات تأثیر می گذارد در هر پوش گسیختگی حالت متراکم ، انحنای موجود  بدلیل  وجود هر  دو پیوند فیزیکی  و  شیمیایی می باشد.  لیکن در خاک های سمنت شده تمیز دادن اثرات مجزای هر دو پیوند شیمیایی و فیزیکی در حین تغییر تنش قائم مؤثر بر روی مقاومت برشی غیر ممکن است. ولی مقایسه سه پوش حاصل از یک ترکیب ثابت با درجات متفاوت سمنتاسیون درشکل 7 حاکی از این مطلب است که در تنش های نرمال موثر یکسان افزایش در مقاومت برش، ناشی از اثر پیوند سمنتاسیون بوده است. بطور مثال در تنش نرمال مؤثر 348 کیلو پاسکال مقاومت برشی زهکش شده از پوش گسیختگی ترکیب بدون سیمان ، ترکیب با مقاومت سمنتاسیون 7 روزه و ترکیب با مقاومت سمنتاسیون 28 روزه به ترتیب برابر با 275 و 346 و425   کیلو پاسکال می باشد. اختلاف مقاومت برشی برابر با 79 و 71 نسبت به پوش های پایین تر از خود فقط حاصل از اثر پیوند سمنتاسیون بر مقاومت برشی زهکش شده این ترکیبات  می باشد.   

     

شکل (7) : مقایسه پوش گسیختگی نمونه 70% ماسه + 30% بنتونیت،  در سه حالت،  بدون سیمان، مقاومت  7 روزه سیمان و مقاومت 28 روزه سیمان

 

5- تعیین پارامتر  m و چسبندگی 'C از پوش گسیختگی

پوش مقاومت های برشی خاکهای پیش تحکیم یافته دارای انحناء بسیار مشهودی است و از تنش های نرمال کم تا تنش های نرمال زیاد ، تغییر فاحشی در شیب و عرض از مبدأ وجود دارد و نیز به شدت به فشار پیش تحکیمی 'C و نسبت  پیش تحکیمی بستگی دارد . جمع آوری این  مقاومت ها برای خاک های رسی  پیش تحکیمی  'C بر حسب مقادیر  و 'C بدلیل متغیر بودن آنها، بصورت طبیعی و بکر بی معنا است. به همین دلیل مقاومت برشی زهکشی شده خاک رس پیش تحکیم یافته بر حسب مقاومت برشی زهکشی شده ترکیبات مشابه رس در حالت عادی تحکیم یافته بصورت رابطه( 1) بیان می شود.

(1)

بنابراین طبق رابطه (1) مقاومت برشی بکر یک خاک رس پیش تحکیم یافته با ضریبی معادل  از مقاومت برشی زهکشی شده ترکیبات مشابه رسی در حالت عادی تحکیم یافته، بزرگتر است. مقدار ضریبm برای هر ترکیب بصورت یک ثابت مستقل از  می باشد و برای ترکیبات رسی پیش تحکیم یافته با فشار پیش تحکیمی یکسان، مقدار ضریبm را می توان نماینده ای از تقعر پوش گسیختگی زهکشی شده آنها دانست . از ترسیم لگاریتم تنش برشی دربرابر لگاریتم تنش نرمال مؤثر ، خطی حاصل شده که مقدار شیب این خط بعنوان پارامتر m  معرفی می شود. با استفاده از رسم لگاریتم تنش برشی در برابر تنش نرمال مؤثر ترکیب مخلوط بنتونیت و ماسه و برازش خطی بر نقاط بدست آمده ، مقدار پارامتر m از شیب خط حاصله بدست آمده است. و مقدار عرض از مبدأ بعنوان چسبندگی  معرفی می شود. محدوده پارامتر m می تواند از مقدار یک برای رس های نرم و عادی تحکیم یافته شروع شده و تا نزدیک به صفر برای رس های بکر و سمنت شده،متغیر باشد ، شکل 8 .

   شکل (8) : تأثیرات پوش گسیختگی برمقدار ضریب m 

 

 در شکل های 9 و 10 و11 ، مقادیر پارامتر m و مقاومت چسبند گی 'C از مخلوط های  70 % ماسه و 30 % بنتونیت با مقدار 5  درصد سیمان اضافه شده در حالت مقاومت 7 روزه و مقاومت 28 روزه و نیز مخلوط بدون سیمان بدست آمده است و در جدول شماره 2 ، ترکیب مورد نظر در سه حالت متفاوت از درجه سمنتاسیون با هم مقایسه شده است . نتایج بدست آمده نشان دهنده این مطلب است که با افزایش درجه سمنتاسیون و پیوند های شیمیایی حاصل ، مقاومت چسبندگی 'C افزایش و مقدار پارامتر m کاهش پیدا می کند . بنابراین افزایش درجه سمنتاسیون بوسیله ایجاد پیوند های شیمیایی بین ذره ای ، با ضریب m نسبت معکوس و با مقاومت چسبندگی نسبت مستقیم دارد .

 

مقاومت 28 روزه	مقاومت 7 روزه	بدون سیمان	درجه سمنتاسیون
57/0	59/0	62/0	m
13	3/10	9	(Kpa)

 جدول (2) : مقادیر ضریبm   وچسبندگی 'C  برای نمونه 70% ماسه + 30% بنتونیت،  در سه حالت

 

شکل (9) : تعریف ضریب m و چسبندگی C'  برای نمونه 70% ماسه + 30% بنتونیت با مقاومت 7 روزه سیمان

 

شکل (10) : تعریف ضریب m و چسبندگی C' برای نمونه 70% ماسه +30% بنتونیت با مقاومت 28 روزه سیمان

  

شکل (11) : تعریف ضریب m و چسبندگی C'  برای رس 70% ماسه + 30% بنتونیت بدون سیمان

 

6- نتیجه گیری

ترکیباتی که دارای پیوند سمنتاسیون بین ذره ای بالایی می باشند، مقاومت برشی زهکشی شده بالاتری نسبت به ترکیبات مشابه بدون پیوند سمنتاسیون در خود بسیج می کنند. این ترکیبات بدلیل ایجاد مقاومت ذرات در برابر جابجایی یک گسیختگی تردتری در رفتار برشی خود تجربه می کنند. پیوندهای شیمیایی عامل مؤثر در ایجاد مقاومت برشی توده خاک در حالت زهکشی شده می باشد. با افزایش درجه سمنتاسیون در ترکیبات مشابه، پیوندهای شیمیایی بین ذره ای محکم تر تشکیل شده و مقدار چسبندگی 'C و مقاومت برشی بالاتری حاصل می شود. با افزایش درجه سمنتاسیون در ترکیبات مشابه، پوش گسیختگی، تقعر بیشتری پیدا کرده، در نتیجه ترکیب خاک دارای ضریب m کوچکتری می باشد.

پیوندهای بین ذره ای و نسبت پیش تحکیمی (OCR) متغیرهای مهم تاثیرگذار بر مقاومت برشی زهکشی شده خاک های رس پیش تحکیم یافته هستند. افزایش در مقدار و شدت پیوندهای شیمیایی بین ذره ای که بواسطه ایجاد سمنتاسیون بین ذرات خاک بدست آمده است  باعث افزایش مقاومت اصطکاکی و لغزشی ودر نتیجه افزایش مقاومت برشی زهکشی شده برای خاک ها پیش تحکیم یافته میشود.

 پیشنهاد می‌کنیم محصول چسب بتن را هم بررسی کنید.

7- قدردانی

این مقاله استخراج شده از طرح پژوهشی با عنوان بررسی عامل سمنتاسیون و دانه بندی بر مقاومت برشی زهکشی شده خاکهای رسی پیش تحکیم یافته می باشد که در دانشگاه آزاد اسلامی واحد رامهرمز به تصویب رسیده و ارائه شده است. بدین ترتیب مراتب تشکر و قدردانی از حوزه پژوهشی واحد رامهرمز و نیز همکاری علمی جناب آقای دکتر پاکباز دانشیار دانشگاه شهید چمران اهواز بعمل می آید.

 

8- مراجع

1-Terzaghi , K., Peck, R.B.,Mesri, G.(1993), soil Mechanics in Engineering  practice ,john wiely    and sons, third  Edition.

2-Pakbaz ,M.C and Boroumandzadeh,B . (2007) . " Evaluation of factors affecting parameter m in drained shear strength of over consolidated soils"  International  Journal  of  Soils  Science,ISSN 1816-4978 : 127-137

3-Abdel–Ghaffar,M.E.M(1990). ‘‘The meaning and practical significance of the cohesion intercept in soil mechanics. PhD thesis, Univ. of illinois at Urbana – Champaign,Ill

Hawkins , A. B., and Privett, K. D.(1985). ‘‘4-Measurement and use of residual shear strength of cohesive soils . ’’Ground Engrg ., 18(8), 22-29.

5-Lupin , J.F.,Skinner,A.E.,and Vaughan, P.R.(1981)The drained residual  strength of cohesive soils, Geotechnique, 31,181-213.

6-Mesri, G., and  Abdel- Ghaffar,M.E.M.(1993).Cohesion  intercept in effective  stress-stability analysis. J.Geotech . Eng., 119(8), 1229-1249.

7-Stark, T.D.,and Eid, H.T.(1994). Drained residual strength of cohesive soils. J.Geotech.  Eng., 120(5),856-871   

Evaluation  of  factors  Cementation  in  drained  shear  strength  of  overconsolidated  soils

1. Boroumandzadeh¹, S.Afifi², and M.S. Pakbaz³
2. Department of Civil Engineering ,Islamic Azad University of ramhormoz, khozestan, I.R. Iran.
   
3. Department of Civil Engineering ,Islamic Azad University of ramhormoz, khozestan, I.R. Iran.
   

3. Department of Civil Engineering, Shahid chamran University. ahvaz, I.R. Iran. E-mail

ABSTRACT

Shear strength of soils is due to resistance of soil particles to movement which is the  result of particles interlocking and bonding.

RESEARCH INQUERIES

one of chemical bonding between particles is due to presence of calcium carbonate which is called cementation

RESEARCH METHOD

In order to evaluate the effect of this type  of  bonding on shear strength of soils a mixture of 70% sand and 30% bentonite  were mixed with 5% of Portland cement and then overconsolidated and cured for 7 and 28 days.After curing the samples were tested in direct shear.The result of tests were compared with results of uncemented samples.

CONCLUSION

The results show the increase in shear strength due to cementation.With cemention samples failed in more brittle manner and the coefficient of m in overconsolideted shear strength expression decreased.

Key Words

cohesion, cemention, overconsolidated shear strength, interlocking bond