مقایسه رفتار مکانیکی خاک های مخلوط با رفتار خاک های رسی با استفاده از تحلیل عددی

از دیرباز سد به منظور مهار آب های سطحی و بهره گیری از انرژی آن مورد استفاده قرار می گرفت. از میان سدهای موجود، سد خاکی به دلیل استفاده از مصالح و اجرا نسبتا سریع تر و ساده تر مورد توجه بسیار بوده است. در این نوع سدها برای کاهش نشت آب از بالادست به پایین دست از المان آب بند در هسته سد که عمدتا مصالح رسی می باشند استفاده می شود. در سالهای اخیر به دلیل وجود مشکلات اجرایی، کمبود منابع قرضه حاوی خاک رس و افزایش سرعت اجرا مهندسین را به سمت جایگزین کردن مصالح مخلوط به جای رس خالص در هسته سدهای خاکی سوق داده است. خاک های مخلوط محدوده وسیعی از خاک های چسبنده تا دانه ای را پوشش داده و دانه بندی گسترده ای از رس تا شن و حتی قلوه سنگ را در بر می گیرد. با توجه به ترکیب ذرات چسبنده رس با مصالح دانه ای شن یا ماسه در خاک مخلوط، رفتار مکانیکی آنها رفتار مابین این دو مصالح خواهد بود. نتایج آزمایش های سه محوری زهکشی نشده کنترل کرنش (سلطانی ، 1385) بر روی خاک رس خالص و خاک های مخلوط با درصدهای اختلاط مختلف نشان دادند که در بارگذاری یکنواخت، فشار آب حفره ای اضافی بیشتری با اضافه کردن مصالح دانه ای (ماسه و شن) به خاک رس ایجاد می شود. در حالی که در بارگذاری کنترل تنش برعکس این اتفاق می افتد. همچنین در بارگذاری تناوبی این مصالح مشخص شد که در هر دو شرایط کنترل کرنش و کنترل تنش، افزودن مصالح دان ای به خاک رس باعث افزایش فشار آب حفره ای اضافی می گردد. نکته مهمی که از ارزیابی نتایج این آزمایش ها بدست می آید، لزوم بررسی دقیق رفتار سدهای خاکی با مصالح هسته خالص و مخلوط در بارگذاری های یکنواخت (مانند ساخت سد) و تناوبی (اعمال کرنش تناوبی بر روی تاج سد و اعمال اثر زلزله) با استفاده از مدل سازی و تحلیل عددی می باشد. در این بررسی ها از دو خاک رس خالص و رس مخلوط با درصد اختلاط 40 درصد و 60 درصد ماسه، که از این به بعد با نام های اختصاری t100 و st40 نامگذاری می شوند، استفاده شد. به منظور تحلیل عددی رفتار مصالح t100 و st40 لازم بود. تا ابتدا خواص این مصالح با توجه به نتایج آزمایش های سه محوری استخراج شوند. سپس نمونه های آزمایشگاهی با استفاده از نرم افزار و با استفاده از روش های مدل سازی، کرنش مسطح، تقارن محوری و سه بعدی تحلیل عددی شده و نتایج حاصل با نتایج آزمایشگاه مقایسه و تدقیق شدند. در ادامه پارامترهای مدل رفتاری مورد استفاده برای هسته سدد خاکی از نتایج حاصل، استخراج شده و در تحلیل عددی سد خاکی مورد استفاده قرار گرفتند. در پژوهش حاضر برای مدل سازی رفتار مصالح رس خالص و مخلوط در نمونه و سد خاکی، در شرایط بارگذاری یکنواخت و تناوبی به ترتیب از نرم افزارهای اجزاء محدود abaqus و مجموعه geo-slope بهره گرفته شد. در بارگذاری یکنواخت سد خاکی که معادل ساخت سد می باشد و بارگذاری کرنش تناوبی در بالای تاج سد، از یک سد خاکی ایده آل استفاده شد. به منظور تاثیر سرعت ساخت سد بر مقدار فشار آب حفره ای اضافی در حین ساخت، تحلیل عددی در سه روش مختلف : الف) کاملا زهکشی نشده ، ب) تحکیم هسته با مقادیر ضریب نفوذ پذیری و تخلخل یکسان برای هر دو مصالح هسته و ج) تحکیم هسته با مقادیر ضریب نفوذ پذیری و تخلخل متفاوت (واقعی) برای هر دو مصالح هسته انجام شد. تحلیل عددی سد خاکی ایده آل در بارگذاری کرنش تناوبی قائم که از بالای سد اعمال می شد. بعد از تحلیل تراوش و بدست آمدن سطح آزاد آب، با نگرش ویژه ای به تغییرات فشار آب حفره ای انجام شد. در ادامه برای مقایسه رفتار مصالح t100 و st40 به عنوان مصالح هسته در هنگام بروز زلزله از هندسه و ابعاد سد سن فرناندو پایینی استفاده شد. تحلیل عددی نمونه ها در بارگذاری یکنواخت و تناوبی با تقریب مناسبی، نتایج مشابهی را با نتایج آزمایش نشان دادند. به عبارتی در بارگذاری یکنواخت و تناوبی کرنش کنترل نمونه، با افزایش مصالح دانه ای علاوه بر افزایش مقاومت برشی خاک، فشار آب حفره ای اضافی نیز افزایش پیدا می کند. تحلیل عددی سد خاکی ایده آل در ابرگذاری یکنواخت (ساخت سد) نشان داد که صرف نشر از روش تحلیل، افزایش مصالح دانه ای در هسته باعث کاهش فشار آب حفره ای اضافی و نشست های سد نسبت به سد خاکی به هسته رسی خالص می گردد. در شرای طکاملا زهکشی نشده (ساخت سریع سد)، در سد خاکی با مصالح هسته رس مخلوط فشار آب حفهر ای اضافی کمتری و در سد خاکی با مصالح هسته رسی خالص فشار آب حفره ای اضافی بیشتری نسبت به شرایط ساخت سد همراه با تحکیم و زهکشی هسته سد (ساخت کند سد) ایجاد می گردد. در بارگذاری کنترل کرنش تناوبی قائم سد خاکی ایده آل، مشخص شد که فشار آب حفره ای با افزایش مصالح دانه ای در هسته سد افزایش می یابد. در تحلیل دینامیکی سد خاکی سن فرنادو با مصالح هسته t100 و st40 با اعمال اثر زلزله بم مشاهده شد که افزایش مصالح دانه ای در هسته با این که باعث کاهش جابجایی افقی و همچنین انتقال جابجایی افقی حداکثر از تاج سد به سمت پایین می شود، لیکن فشار آب حفره ای اضافی بیشتری در هسته سد ایجاد می گردد.