دینامیک خاک چیست؟ — تعاریف و آزمایش ها — به زبان ساده

دینامیک خاک، علمی است که به مطالعه رفتار خاک در بارگذاری‌های وابسته به زمان (بارگذاری‌های دینامیک) می‌پردازد. هنگام طراحی و اجرای سازه‌ها بر روی لایه‌های خاکی زمین، مهندسان از مبانی دینامیک خاک به منظور اطمینان از عملکرد مناسب و ایمن سازه استفاده می‌کنند. پارامترهای مختلفی بر روی رفتار دینامیکی خاک تاثیر می‌گذارند. آزمون‌های برجا و آزمایشگاهی متنوعی نیز برای تعیین این پارامترها وجود دارند. در این مقاله، به معرفی اصول اولیه دینامیک خاک، پارامترهای موثر بر آن‌ها و آزمون‌های مرتبط با این حوزه می‌پردازیم. شما می‌توانید با مشاهده فیلم‌های مجموعه آموزش اپن سیس OpenSees – مقدماتی تا پیشرفته در فرادرس می‌توانید نحوه کار با یکی از بهترین نرم‌افزارهای تحلیل دینامیکی خاک را یاد بگیرد.

دینامیک خاک چیست؟

«دینامیک خاک» (Soil Dynamics)، یکی از شاخه‌های مکانیک خاک است که به مطالعه رفتار خاک در شرایط بارگذاری دینامیک می‌پردازد. بارهای ناشی از زلزله، به عنوان مهم‌ترین بارهای دینامیک در نظر گرفته می‌شوند. آشنایی با رفتار خاک و سازه‌های خاکی در برابر این نوع بارها، برای جلوگیری از شکست و تخریب سازه‌ها ضروری است.

بار دینامیک چیست؟

«بار زنده» (Live Load) یا «بار دینامیک» (Dynamic Load)، به باری گفته می‌شود که موقعیت، مقدار و جهت آن با گذر زمان تغییر می‌کند. بارهای ناشی از زلزله، انفجار، ارتعاش ماشین‌آلات، عملیات‌های ساخت و ساز، عملیات معدنکاری، ترافیک، باد و موج، از انواع بارهای دینامیک هستند.

دینامیک خاک چه اهمیت و کاربردی دارد؟

دینامیک خاک، اهمیت و کاربرد گسترده‌ای در مسائل مهندسی ژئوتکنیک دارد. برخی از متداول‌ترین مسائل مرتبط با دینامیک خاک عبارت هستند از:

• زلزله، لرزش زمین و انتشار موج در خاک
• تنش دینامیک، تغییر شکل و خواص مقاومتی خاک
• فشار دینامیکی خاک
• ظرفیت باربری و طراحی فونداسیون‌های سطحی
• روانگرایی خاک
• طراحی فونداسیون ماشین‌آلات و تجهیزات دارای ارتعاش
• طراحی فونداسیون و شمع‌کوبی در زیر بارهای دینامیک
• پایداری سد و سازه‌های نگهبان تحت بار زلزله

به منظور یافتن جواب مناسب برای تحلیل مسائل بالا، ابتدا باید با رفتار خاک در شرایط استاتیک و دینامیک آشنا شد. به عنوان مثال، در طراحی یک فونداسیون مقاوم در برابر بارهای دینامیکی ناشی از ارتعاش ماشین‌آلات یا دیگر عوامل خارجی، شرایط خاک و عوامل زیست‌محیطی محل احداث فونداسیون مد نظر قرار می‌گیرند.

اهمیت دینامیک خاک، فراهم کردن ابزارهای تحلیل مسائل ژئوتکنیکی برای به دست آوردن راه‌حل‌های ایمن، قابل قبول و قابل اطمینان است. به این منظور، مهندسان باید با تئوری ارتعاشات، مبانی انتشار امواج، رفتار خاک در شرایط بارگذاری متناوب، روش‌های عددی و غیره آشنا باشد. یکی از مهم‌ترین حوزه‌هایی که مبانی دینامیک خاک در آن مورد استفاده قرار می‌گیرند، مهندسی زلزله است.

در صورت تمایل به یادگیری مبانی تئوری دینامیک خاک، مطالعه مطلب «دینامیک سازه چیست؟ — آشنایی با مبانی و مفاهیم | به زبان ساده» را به شما پیشنهاد می‌کنیم.

رابطه بین مکانیک خاک و دینامیک خاک چیست ؟

«مکانیک خاک» (Soil Mechanics)، علمی است که رفتار و خصوصیات خاک در شرایط بارگذاری مختلف را مورد مطالعه قرار می‌دهد. در مکانیک خاک، تمرکز اصلی بر روی تاثیر بارهای عمودی بر روی ظرفیت باربری و نشست خاک است. دینامیک خاک به عنوان یکی از شاخه‌های مکانیک خاک، تاثیر بارهای جانبی بر روی جابجایی‌های افقی را بررسی می‌‌کند.

در گذشته، اصول مکانیک خاک، فقط برای تحلیل بارهای ثابت در بازه‌های زمانی بلند مورد استفاده قرار می‌گرفتند. با معرفی دینامیک خاک، بررسی بارهای متناوب در بازه‌های زمانی کوتاه، تحلیل‌های کانیک خاک را به واقعیت نزدیک‌تر کرد. هدف مکانیک و دینامیک خاک، اطمینان از ایمنی سازه‌های احداث شده در محیط‌های خاکی است.

روانگرایی خاک چیست ؟

خاک، مجموعه‌ای از ذرات جامد است. این ذرات، تحت تاثیر تنشی با عنوان تنش موثر، در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. در این حالت، بین هر ذره با ذرات اطرافش، نیروی چسبندگی به وجود می‌آید. با ورود جریان آب به درون توده خاک، فاصله بین ذرات افزایش می‌یابد. به این ترتیب، نیروی چسبندگی و تنش موثر کاهش می‌یابد.

هنگام اعمال بارهای ناگهانی و سریع، فشار آب بین ذرات خاک، به سرعت بالا می‌رود. افزایش ناگهانی فشار، چسبندگی بین ذرات را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد و باعث سستی ساختار توده خاک می‌شود. در این شرایط، خاک از فاز جامد به فاز مایع می‌رود و جریان پیدا می‌کند. به این پدیده، «روانگرایی خاک» (Soil Liquefaction) می‌گویند.

اهمیت روانگرایی در دینامیک خاک چیست ؟

بارهای لرزه‌ای، یکی از مهم‌ترین عوامل موثر بر تغییر وضعیت زمین هستند. روانگرایی خاک، باعث ناپایداری ساختمان‌ها می‌شود. هنگام رخ دادن پدیده روانگرایی، فونداسیون به داخل زمین فرو می‌رود. این مسئله، انحراف و شکست ساختمان را به همراه دارد. احتمال رخ دادن روانگرایی در نواحی نزدیک به دریاچه، رودخانه و دیگر پهنه‌های آبی بیشتر از نواحی دیگر است.

ساختمان‌ها، معمولا به گونه‌ای طراحی و اجرا می‌شوند که در صورت وجود پهنه‌های آبی، احتمال روانگرایی به حداقل برسد. با این وجود، رخ دادن زلزله یا لرزش‌های شدید، می‌تواند باعث ماندابی و افزایش روانی مایع در خاک شود. به این ترتیب، خاک صلبیت خود را از دست خواهد داد و زمین دیگر قادر به تحمل بارهای ناشی از سازه‌های روی خود نخواهد بود. در نتیجه، حرکت سازه به درون زمین و تخریب آن آغاز می‌شود.

توضیحات بالا، اهمیت بارهای دینامیک در رفتار توده خاک و سازه‌های خاکی را نمایش می‌دهند. ممکن است یک سازه در حالت عادی بسیار مقاوم و پایدار باشد؛ اما رخ دادن یک زلزله، ایمنی مقاومت آن را به راحتی از بین ببرد. به منظور جلوگیری از این مشکلات، باید از ساخت سازه‌ها بر روی خاک‌های اشباع جلوگیری کرده یا از سیستم‌های سازه‌ای مقاوم در برابر روانگرایی استفاده کرد. البته روش‌های بهسازی خاک نیز تا حدی از رخ دادن روانگرایی جلوگیری می‌کنند.

مشخصات دینامیکی خاک چه هستند؟

از پارامترهای موثر بر خواص دینامیک خاک می‌توان به مدول یانگ، مدول برشی، چگالی نسبی، فشار محصورشوندگی، پلاستیسیته، تغییرات کرنش، فرکانس و مقدار بارگذاری تناوبی اشاره کرد. خصوصیات دینامیکی خاک، به منظور بررسی رفتار سازه‌ها در هنگام زلزله و طراحی مقاوم در برابر بارهای جانبی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

خاک، یک سیستم چندفازی است که از مواد جامد، مایع (آب) و گاز (هوا) تشکیل می‌شود. خواص دینامیکی خاک باید بر اساس مشخصات ذرات جامد، مخلوط خاک، آب و هوا تعیین شوند. این خواص، از اهمیت بسیار بالایی در تحلیل سازه‌هایی نظیر فونداسیون‌ها، زیربناها، دیوارهای حائل، سدها و دیگر سازه‌های خاکی برخوردار هستند. در ادامه به معرفی برخی از خواص دینامیکی خاک می‌پردازیم.

مدول الاستیک خاک چیست ؟

«مدول الاستیک» (Elastic Modulus) یا «مدول یانگ» (Young's Modulus)،  از معیارهای مهم در توصیف سختی یا همان صلبیت مواد است. این مدول، رابطه بین تنش و کرنش را نمایش می‌دهد. در منحنی تنش-کرنش زیر، محدود بنفش، با عنوان محدوده الاستیک و محدوده زرد با عنوان محدوده پلاستیک شناخته می‌شود. شیب نمودار در این محدوده، برابر با مدول الاستیک است.

صلبیت یا سختی خاک چیست ؟

«سختی» (Stiffness)، کمیتی برای نمایش توانایی یک ماده در بازگشت به شکل اولیه خود پس از بارگذاری و باربرداری است. سختی خاک، با توجه به مقاومت آن در برابر تنش‌های برشی محاسبه می‌شود. هرچه مدول الاستیسیته خاک بالاتر باشد، سختی آن نیز بیشتر خواهد بود. خاک‌های سخت، مقاومت بیشتری در برابر بارهای دینامیک دارند؛ چراکه محیط‌های سخت، ارتعاش کمتری را انتقال می‌دهند.

مدول برشی خاک چیست ؟

«مدول برشی» (Shear Modulus)، نسبت تنش برشی به کرنش برشی است. این مدول، رفتار ماده در برابر تنش‌های برشی را نمایش می‌دهد. مدول برشی، معیاری برای تشخیص سختی (صلبیت) خاک است. در شرایط بارگذاری دینامیک، محیط‌های خاکی در معرض مقداری تنش قرار می‌گیرند.

اگر کرنش‌های ایجاد شده کم باشند، مدول برشی با شیب منحنی تنش-کرنش برابر خواهد بود. اگر کرنش‌‌های ایجاد شده زیاد باشند، رفتار خاک غیر خطی می‌شود. در این حالت، مدول برشی به مقدار کرنش برشی بر روی منحنی بستگی خواهد داشت.

مدول تغییر شکل مقید خاک چیست ؟

مدول تغییر شکل مقید یا «مدول مقید» (Constrained Modulus) یا «مدول طولی» (Longitudinal Modulus)، یکی از انواع مدول‌های الاستیک است که به منظور توصیف مواد همگن و همسانگرد مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مدول از تقسیم تنش محوری بر کرنش محوری در شرایط تغییرشکل تک‌محوری به دست می‌آید.

میرایی در خاک چیست ؟

به از بین رفتن انرژی در یک سیستم تحت بارهای ارتعاشی یا بارهای تناوبی، «میرایی» (Damping) می‌گویند. این هدررفت انرژی، معمولا با تولید گرما همراه می‌شود. ضریب میرایی، یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین پارامترهای مورد استفاده در مهندسی ژئوتکنیک و تحلیل دینامیک خاک است.

هدررفت انرژی در محیط‌های خاکی با توجه به نسبت میرایی تعیین می‌شود:

$$ \eta = \frac { 1 } { 4 \pi } \cdot \frac { E_{ D } } { E_{ s o } }= \frac { 1 } { 2 \pi } \cdot \frac { E_{ D } } { G \gamma_{ c } ^ { 2 } } $$

• E_D: انرژی هدررفت در حلقه هیسترزیس
• E_SO: کرنش ذخیره شده در خاک در کرنش γ_c

تعیین مدول برشی خاک (G) از روی منحنی تنش-کرنش نمونه‌های آزمایشگاهی، دشوار است. به همین دلیل، این پارامتر توسط آزمون‌های برجا یا رابطه زیر به دست می‌آید:

$$
G _ { \max } = V _ { S } ^ { 2 } \rho
$$

• ρ: چگالی خاک بر حسب کیلوگرم در مربع ثانیه بر متر مربع (kg s² / m²)
• V_s: سرعت موج برشی بر حسب متر بر ثانیه (m / s)

آزمایش دینامیک خاک چیست ؟

آزمایش‌های دینامیکی خاک، به منظور تعیین خواصی نظیر مدول برشی، مدول الاستیسیته و نسبت میرایی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. این خواص در تحلیل و طراحی رفتار خاک و سازه‌های خاکی کاربرد دارند. از آزمایش‌های آزمایشگاهی و برجای خواص دینامیکی خاک می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• آزمون‌های آزمایشگاهی
  • آزمایش مقاومت برشی خاک در بارگذاری سریع
  • آزمایش مقاومت و تغییر شکل خاک تحت بارهای گذرا
  • آزمایش زمان پیمایش برای تعیین سرعت موج طولی و برشی
  • آزمایش ستون تشدید برای تعیین سرعت موج
  • آزمایش برش پیچشی ساده با بارگذاری تناوبی
  • آزمایش مقاومت سه محوری با بارگذاری تناوبی
  • آزمایش بر روی مدل
    • آزمایش میز لرزان
    • آزمایش سانتریفیوژ
• آزمون‌های برجا
  • آزمایش بازتاب و شکست موج
  • برداشت شکست لرزه‌ای در لایه‌های افقی
  • برداشت شکست لرزه‌ای در لایه‌های مایل
  • اکتشاف زیرسطحی توسط ارتعاش ایستا
  • اکتشاف خاک توسط انفجار درون گمانه
  • آزمایش بارگذاری صفحه‌ای تناوبی

این آزمایش‌ها معمولا به منظور تعیین پارامترهای زیر مورد استفاده قرار می‌گیرند:

• ضریب الاستیک دینامیک
  • ضریب الاستیک برش یکنواخت
  • ضریب الاستیک فشار یکنواخت
  • ضریب الاستیک برش غیر یکنواخت
  • ضریب الاستیک فشار غیر یکنواخت
• مدول‌های دینامیک
  • مدول یانگ
  • مدول برشی
  • مدول حجمی
• پارامترهای روانگرایی
  • نسبت تنش تناوبی
  • عکس‌العمل دینامیکی فشار آب منفذی
• نسبت پواسون
• نسبت میرایی

آزمون‌های آزمایشگاهی و برجای دینامیک خاک، بر اساس میزان کرنش مورد انتظار به دو دسته آزمایش با کرنش کم (کرنش‌های کمتر از 0/001 درصد) و آزمایش با کرنش زیاد (کرنش‌های بیشتر از 0/001 درصد) تقسیم می‌شوند. در ادامه به معرفی برخی از متداول‌ترین آزمون‌های آزمایشگاهی و برجا با کرنش کم و کرنش زیاد می‌پردازیم.

آزمون های آزمایشگاهی دینامیک خاک

متداول‌ترین روش‌های آزمایش دینامیک خاک با کرنش کم عبارت هستند از:

• آزمایش ستون تشدید
• آزمایش بندر المنت

از رایج‌ترین روش‌های آزمایش دینامیک خاک با کرنش بالا نیز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• آزمایش سه‌محوری تناوبی
• آزمایش برش ساده تناوبی
• آزمایش پیچش تناوبی

در ادامه، به توضیح نحوه اجرای برخی از آزمون‌های بالا می‌پردازیم.

آزمایش ستون تشدید چیست ؟

«آزمایش ستون تشدید» (Resonant Column Test)، به منظور تعیین مدول برشی (G) و نسبت میرایی (D) نمونه‌های خاکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این آزمایش، با دستگاه ستون تشدید و برش پیچشی اجرا می‌شود. مبنای آزمایش ستون تشدید، ارتعاش پیچشی یا طولی نمونه و قرار دادن نتایج به دست آمده در معادله انتشار موج توسط تئوری الاستیسیته است.

آزمایش ستون تشدید، بر اساس دستورالعمل موجود در استاندارد ASTM D4015 با عنوان «روش‌های آزمایش استاندارد مدول و میرایی خاک به روش ستون تشدید» (Standard Test Methods for Modulus and Damping of Soils by Resonant-Column Method) اجرا می‌شود. مراحل کلی اجرای این آزمایش عبارت هستند از:

1. قرار دادن نمونه استوانه‌ای درون محفظه دستگاه
2. ثابت کردن نمونه بر روی صفحه پایینی
3. اعمال ارتعاش پیچشی یا طولی به نمونه از صفحه بالایی
4. افزایش تدریجی ارتعاشات تا رسیدن به مود اول ارتعاشی نمونه
5. اندازه‌گیری فرکانس تشدید (دامنه ارتعاش)
6. محاسبه سرعت انتشار موج با استفاده از معادله انتشار موج و تئوری الاستیسیته
7. محاسبه مدول برشی از روی سرعت انتشار و چگالی نمونه

مدول برشی از فرمول زیر به دست می‌آید:

$$
G = \rho ( v _ { s } ) ^ { 2 }
$$

• G: مدول برشی
• ρ: چگالی نمونه
• v_s: سرعت انتشار موج در نمونه

آزمایش بندر المنت چیست ؟

«آزمایش بندر المنت» (Bender Element Test)، امکان اندازه‌گیری مدول برشی حداکثر (G_max) نمونه‌های خاکی را فراهم می‌کند. این پارامتر، به منظور تعیین سختی خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد.  مدل برشی حداکثر (معمولا با سطح کرنش حدودا 0/001 درصد)، نقش مهمی در تحلیل دینامیک خاک و پیش‌بینی رفتار سازه‌های خاکی در هنگام زلزله، انفجار یا ارتعاش ناشی از ترافیک و ماشین‌آلات دارد.

مراحل کلی اجرای آزمایش بندر المنت عبارت هستند از:

• آماده‌سازی نمونه استوانه‌ای مطابق با استانداردهای آماده‌سازی نمونه‌های آزمایش سه‌محوری
• نصب المنت‌ها در صفحات پایینی و بالایی سلول سه‌محوری
• وارد کردن المنت‌های فرستند و گیرنده به پایین، بالا و کناره‌های نمونه
  • استفاده از المنت‌های افقی، اختیاری است.
• شروع آزمایش سه‌محوری به منظور اعمال فشار مناسب جهت اشباع و تحکیم نمونه
• ارسال ارتعاش و اندازه‌گیری مدول برشی حداکثر با استفاده از فرمول G=ρv_s²
  • اندازه‌گیری مدول برشی حداکثر معمولا در انتهای تحکیم و پیش از شکست انجام می‌شود.
• شروع آزمایش بندر المنت با ارسال سیگنال از المنت فرستنده
• تغییر شکل المنت به سمت کناره‌ها و بازگشت آن به موقعیت اولیه
• افزایش جریان سیگنال ارسالی در صورت واضح نبودن سیگنال دریافتی
  •  سیگنال مناسب برای نمونه‌های 140 میلی‌متری،  10 ولتی است.
  • فرکانس تنظیم‌شده بر روی هر دو المنت فرستنده و گیرنده باید یکسان باشد.
• ثبت امواج سینوسی به محض دریافت امواج برشی توسط المنت گیرنده
• استفاده از اولین موج برشی دریافتی برای محاسبه سرعت برشی

آزمایش سه محوری تناوبی چیست ؟

«آزمایش سه محوری تناوبی» (Cyclic Triaxial Test)، روشی برای به دست آوردن مقاومت تناوبی (پتانسیل روانگرایی) خاک‌های اشباع در شرایط بارگذاری سه‌محوری است. خروجی این آزمایش، به منظور ارزیابی مقاومت توده خاک در برابر تنش‌های برشی القایی ناشی از بار زلزله یا دیگر بارهای دینامیک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

آزمایش سه‌محوری تناوبی، بر اساس استاندارد ASTM D5311 با عنوان «روش آزمون استاندارد برای مقاومت سه‌محوری تناوبی خاک تحت بارگذاری کنترل شده» (Standard Test Method for Load Controlled Cyclic Triaxial Strength of Soil) اجرا می‌شود. دستگاه اجرای این آزمایش به دستگاه آزمایش سه‌محوری معمولی برای تعیین فشار نمونه زهکشی نشده تحکیم‌نیافته و نمونه زهکشی نشده تحکیم‌یافته شباهت دارد.

مراحل اجرای آزمایش سه‌محوری تناوبی عبارت هستند از:

1. آماده‌سازی نمونه و قرار دادن آن در غشای لاستیکی
   • حداقل قطر 51 میلی‌متر، نسبت ارتفاع به قطر 2 تا 2/5، حداکثر ابعاد ذرات یک‌ششم قطر نمونه
2. اشباع نمونه
3. تحکیم نمونه
4. بارگذاری تناوبی
5. تعیین حالت شکست (معمولا روانگرایی)
6. محاسبه مقاومت تناوبی

آزمایش برش ساده تناوبی چیست ؟

«آزمایش برش ساده تناوبی» (Cyclic Simple Shear Test)، یکی دیگر از روش‌های ارزیابی رفتار خاک تحت شرایط بارگذاری دینامیک است. این آزمایش، هم برای خاک‌های درشت‌دانه و هم برای خاک‌های ریزدانه مورد استفاده قرار می‌گیرد. خروجی‌های برش ساده تناوبی، امکان مطالعه بر خصوصیات روانگرایی خاک را در شرایط زهکشی با حجم ثابت فراهم می‌کند.

آزمایش برش ساده تناوبی، بر اساس استاندارد ASTM D6528 با عنوان «روش آزمون استاندارد آزمایش برش ساده تناوبی زهکشی نشده تحکیم‌یافته» (Standard Test Method for Consolidated Undrained Direct Simple Shear Testing) اجرا می‌شود. مراحل اجرای این آزمایش عبارت هستند از:

• آماده‌سازی نمونه (دست‌نخوره یا بازسازی‌شده)
• تنظیم موقعیت نمونه در دستگاه و اشباع آن با اعمال فشار آب از پایین
• تحکیم یکنواخت نمونه برای رسیدن به تنش عمودی دلخواه
• بارگذاری تناوبی در فرکانس مورد نظر (بین 0/0001 تا 5 هرتز) و جریان مناسب
• توقف آزمایش بر اساس معیارهایی نظیر رسیدن به حداکثر تنش برشی، طی کردن بازه زمانی مشخص، رسیدن به تنش عمودی حداکثر، اعمال چرخه‌های مشخص و رسیدن به کرنش برشی حداکثر
• رسم نمودار بار جانبی به جابجایی جانبی
• تفسیر نمودار

میز لرزان چیست ؟

میز لرزان، وسیله‌ای برای شبیه‌سازی حرکت زمین در حین زلزله است. این وسیله معمولا به منظور آزمایش بر روی مدل سازه‌ها، شیروانی‌ها یا اعضای ساختمان‌ها تا لحظه شکست مورد استفاده قرار می‌گیرد. میزهای لرزان، امکان اعمال محدوده گسترده‌ای از امواج را فراهم می‌کنند. در پایین این میزها، چندین قطعه مکانیکی با نام اکچویتور وجود دارند.

دو اکچویتور برای حرکت میز در جهت محور X، دو اکچویتور برای حرکت میز در جهت محور Y و چهار اکچویتور برای حرکت میز در جهت محور Z (محور عمودی) تعبیه شده‌اند. حرکت میز در جهت‌های مختلف و دوران سه‌بعدی آن، سازه بالای آن را در معرض بارهای مشابه با بار زلزله قرار می‌دهد. مهندسان سازه و زلزله می‌توانند با استفاده از میز لرزان، مسائل دینامیک خاک را به خوبی تجزیه و تحلیل کنند.

سانتریفیوژ ژئوتکنیکی چیست ؟

«سانتریفیوژ ژئوتکنیکی» (Geotechnical Centrifuge)، وسیله‌ای است که به منظور آزمایش بر روی مدل‌های ژئوتکنیکی و بررسی رفتار سازه‌های خاکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از این وسیله می‌توان مقاومت، سختی و ظرفیت باربری فونداسیون پل‌ها و ساختمان‌ها، نشست خاکریزها، پایداری شیروانی‌ها، رفتار سازه‌های نگهبان، پایداری تونل‌ها و غیره را به دست آورد.

آزمون های برجای دینامیک خاک

هنگام صحبت در مورد آزمون‌های برجا برای تعیین خصوصیات دینامیک خاک، منظور ما روش‌های ژئوفیزیک است. در این روش‌ها، تکنسین‌ها چندین ژئوفون بر روی محدوده مورد آزمایش نصب می‌کنند. سپس، با استفاده از وسایلی نظیر چکش، مواد منفجره یا هر منبع ارتعاش دیگر، زمین را به لرزه درمی‌آورند. امواج حاصل از لرزش زمین، توسط ژئوفون‌ها اندازه‌گیری می‌شوند.

آزمایش لرزه نگاری انعکاسی چیست ؟

آزمایش لرزه‌نگاری انعکاسی یا «آزمایش انعکاس لرزه‌ای» (Seismic Reflection Method)، یکی از ساده‌ترین روش‌های ژئوفیزیکی است که به منظور اندازه‌گیری سرعت موج و ضخامت لایه‌های سطحی زمین مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این آزمایش، سطح زمین به صورت لایه‌ای در نظر گرفته می‌شود. یکی دیگر از فرض‌های لرزه‌نگاری انعکاسی، بیشتر بودن سرعت انتشار امواج در لایه زیرین نسبت به سرعت انتشار امواج در لایه بالایی است. بنابراین، لایه زیرین، چگالی و سختی بیشتری دارد.

آزمایش انعکاس لرزه‌ای، با قرار دادن منبع ارتعاش (مانند چکش) و گیرنده امواج (ژئوفون) بر روی سطح زمین اجرا می‌شود. هنگام ایجاد ارتعاش، امواج به عمق زمین می‌روند و با برخورد به لایه سخت‌تر، به سطح زمین بازمی‌گردند. ژئوفون‌ها، این امواج انعکاس‌یافته را دریافت می‌کنند. با داشتن عمق لایه سطحی زمین، فاصله افقی منبع موج با ژئوفون و فاصله زمانی بین ارسال و دریافت امواج، امکان اندازه‌گیری سرعت انتشار موج فراهم می‌شود.

آزمایش لرزه نگاری انکساری چیست ؟

آزمایش لرزه‌نگاری انکساری یا «آزمایش انکسار لرزه‌ای» (Seismic Refraction Test)، به منظور اندازه‌گیری سرعت موج در دو لایه رویی زمین، ضخامت لایه بالایی و پروفیل لایه پایینی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش، چندین ژئوفون را به صورت خطی بر روی سطح زمین قرار می‌دهند. با ایجاد ارتعاش، موج‌های لرزه‌ای به سمت عمق حرکت می‌کنند و هنگام بازگشت به زمین، توسط ژئوفون‌ها دریافت می‌شوند.

به دلیل فاصله بین ژئوفون‌ها، زمان دریافت امواج در آن‌ها با یکدیگر متفاوت است. زمان دریافت امواج توسط هر یک از ژئوفون‌ها نسبت به فاصله آن‌ها تا منبع ایجاد موج بر روی نموداری مشابه تصویر بالا نشان داده می‌شود. یکی از کاربردهای این نمودار، تشخیص تغییر سرعت موج در لایه‌های زیرین است. شیب بخش‌های مختلف نمودار، سرعت موج در لایه‌های مختلف را نمایش می‌دهد. بنابراین، محدوده‌های دارای شیب متفاوت، بیانگر لایه‌های مختلف عمق زمین هستند.

زاویه برخورد بحرانی چیست ؟

«زاویه برخورد بحرانی» (Critical Angle of Incidence)، زاویه‌ای است که در آن، موج بر روی سطح مشترک بین دو لایه حرکت می‌کند و به طور مداوم، امواج را به سمت سطح زمین بازتاب می‌دهد. این زاویه، به منظور تعیین عمق لایه‌ها در آزمایش لرزه نگاری انکساری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کاربردها و محدویت‌های آزمایش‌های لرزه نگاری انعکاسی و انکساری

آزمایش‌های لرزه نگاری انعکاسی و انکساری، برای شرایط زیر مناسب هستند:

• بررسی خواص لایه‌هایی که چگالی آن‌ها با افزایش عمق افزایش می‌یابد.
• زمین‌هایی که سطح آن‌ها نسبتا هموار است.
• تشخیص مرز اعماق زمین‌هایی که از لایه‌های سنگی و خاکی تشکیل می‌شوند.

در صورتی که چگالی لایه‌های اعماق زمین، رفته رفته افزایش نیابد یا سطح زمین دارای پستی و بلندی‌های متعدد باشد، استفاده از آزمایش‌های لرزه نگاری انعکاسی و انکساری، نتایج مناسبی را برای ارزیابی خواص دینامیک خاک ارائه نمی‌کنند.

تحلیل طیفی امواج سطحی چیست ؟

«تحلیل طیفی امواج سطحی» (Spectral Analysis of Surface Waves) یا به اختصار «SASW»، یک روش غیر مخرب برای تعیین تغییرات سرعت امواج سطحی لایه‌های زمین است. SASW، از مشخصات پراکندگی امواج سطحی برای به دست آوردن سختی (یکی از مهم‌ترین خواص دینامیک خاک) استفاده می‌کند.

این روش برای اجرا در محیط‌های کم سر و صدا مناسب است. SASW، از دقت خوبی برای اندازه‌گیری خواص دینامیک خاک در لایه‌های عمیق بهره می‌برد. به علاوه، اجرای این روش نسبت به روش‌های دیگر ساده‌تر است.

تحلیل چند کاناله امواج سطحی چیست ؟

«تحلیل چند کاناله امواج سطحی» (Multi-channel Analysis of Surface Waves) یا به اختصار «MASW»، یک روش غیرتهاجمی برای تخمین پروفیل سرعت موج برشی است. MASW، از مشخصات پراکندگی امواج ریلی (نوعی از امواج سطحی) برای تصویرسازی لایه‌های زیرین زمین استفاده می‌کند.

این روش برای اجرا در محیط‌های پر سر و صدا مناسب است. هرچه عمق خاک کمتر باشد، دقت MASW افزایش می‌یابد. اجرا و تحلیل نتایج این روش نسبت به SASW دشوارتر است.

مزایای روش‌های تحلیل امواج سطحی

روش‌های تحلیل امواج سطحی برای به دست آوردن خواص دینامیک خاک، از محبوبیت زیادی برخوردار هستند. از دلایل این محبوبیت می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تشخیص چینه‌شناسی پیچیده خاک
• تشخیص لایه‌های نرم خاک
• هزینه نسبتا پایین اجرا

آزمایش دینامیک خاک به روش گمانه زنی چیست ؟

«روش‌های گمانه‌زنی» (Borehole Methods)، یکی دیگر از روش‌های آزمایش برجای دینامیک خاک هستند. این روش‌ها با حفر گمانه در لایه‌های زمین و جابجایی فرستنده یا گیرنده امواج به درون آن انجام می‌گیرند. به این ترتیب، سرعت انتشار موج در فاصله بین فرستنده و گیرنده در اعماق مختلف اندازه‌گیری می‌شود.

روش‌های گمانه‌زنی، معمولا داده‌های بسیار مفیدی را در اختیار ما قرار می‌دهند. در این روش‌ها، علاوه بر اندازه‌گیری سرعت انتشار موج، نمونه‌هایی از خاک لایه‌های مختلف نیز به دست می‌آیند. به علاوه، داده‌های حاصل از گمانه‌ها، از قطعیت بالایی برخوردار هستند/از محدودیت‌های روش‌های گمانه‌زنی می‌توان به هزینه نسبتا بالا و حداکثر عمق قابل حفر اشاره کرد.

روش‌های آزمایش دینامیک خاک با کرنش بالا چه هستند ؟

تا به اینجای مقاله، برخی از روش‌های آزمایش برجای دینامیک خاک با کرنش پایین را معرفی کردیم. در کنار آزمایش با کرنش پایین، روش‌های مختلفی برای آزمایش با کرنش بالا نیز وجود دارد. این روش‌ها، با ایجاد تغییر شکل‌های نسبتا زیاد بر روی لایه‌های خاک انجام می‌گیرد. از روش‌های متداول آزمایش دینامیک خاک با کرنش بالا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• «آزمایش نفوذ استاندارد» (Standard Penetration Test) یا «SPT»
• «آزمایش نفوذ مخروط» (Cone Penetration Test) یا «CPT»

در آزمایش‌های کرنش پایین، خواص دینامیک خاک، در محدوده الاستیک مورد بررسی قرار می‌گرفتند؛ چراکه میزان کرنش‌های اعمالی در این محدوده قرار داشت. در آزمایش‌های کرنش بالا، تغییرشکل‌های پلاستیک به خاک اعمال می‌شود. بنابراین، امکان محاسبه مستقیم مدول‌های الاستیک، برشی و غیره به صورت مستقیم وجود ندارد. با این حال، می‌توان پارامترهای دینامیک خاک را با تحلیل رابطه بین آن‌ها و سرعت موج برشی به دست آورد.

آزمایش‌‌های دینامیک خاک با کرنش بالا، باید با احتیاط و دقت اجرا شوند. آزمایش‌های برجا، برای به دست آوردن خاک در وضعیت دست‌نخورده مناسب هستند. با این حال، امکان محاسبه آسان خواص میرایی خاک با استفاده از این آزمایش‌ها وجود ندارد. به همین دلیل، در صورت نیاز به مطالعه میرایی توده خاک، باید به سراغ آرمون‌های آزمایشگاهی رفت.

منابع یادگیری دینامیک خاک چه هستند ؟

منابع مختلفی برای یادگیری دینامیک خاک و مفاهیم مرتبط با آن وجود دارند. کتاب‌ها، به عنوان اولین و قدیمی‌ترین منابع این حوزه شناخته می‌شوند. در سال‌های اخیر، با گسترش حوزه آموزش آنلاین، فیلم‌های آموزشی نیز به جمع منابع یادگیری مکانیک خاک اضافه شده‌اند.

کتاب های دینامیک خاک

از کتاب‌های فارسی و انگلیسی دینامیک خاک می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کتاب‌ های فارسی دینامیک خاک
  • کتاب دینامیک خاک اثر محمدحسن بازیار
  • کتاب اصول و مبانی دینامیک خاک اثر میرمحمدحسینی
  • کتاب دینامیک خاک ترجمه ابوالحسن نائینی
  • کتاب دینامیک خاک ترجمه شاپور طاحونی
• کتاب های انگلیسی دینامیک خاک
  •  کتاب دینامیک خاک اثر براجا داس
  • کتاب دینامیک خاک اثر استیون کرامر
  • کتاب دینامیک خاک اثر پراکاش

فیلم های آموزش دینامیک خاک

یکی از روش‌های محبوب و مفید برای یادگیری دروس تخصصی، استفاده از فیلم‌های آموزش آنلاین است. فرادرس، چندین فیلم آموزشی جامع را به همراه اساتید مجرب در حوزه دینامیک خاک و دروس پیش‌نیاز آن تهیه کرده است. در این فیلم‌ها، مفاهیم تئوری و مسائل کاربردی به خوبی آموزش داده شده‌اند. در ادامه، عنوان برخی از فیلم‌های آموزش دینامیک خاک را مشاهده می‌کنید:

• منابع اصلی
  • (+) فیلم آموزش دینامیک خاک
  • (+) فیلم آموزش تحلیل پاسخ دینامیکی ساختگاه خاکی به امواج زلزله با نرم افزار EERA
• منابع پیش‌نیاز
  • (+) فیلم آموزش مقاومت مصالح
  • (+) فیلم آموزش مکانیک خاک
  • (+) فیلم آموزش مهندسی پی
• منابع تکمیلی
  • (+) مجموعه فیلم‌های آموزش مهندسی زلزله
  • (+) مجموعه فیلم‌های مهندسی معدن و ژئوتکنیک

نرم افزارهای تحلیل دینامیک خاک چه هستند ؟

اغلب تحلیل‌های سازه‌های خاکی با استفاده از نرم‌افزارهای عددی انجام می‌گیرند. از بهترین و رایج‌ترین نرم‌افزارهای اجرای تحلیل دینامیک خاک و سازه‌های خاکی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• OpenSees
  • (+) فیلم آموزش کنترل لرزه‌ای سازه‌ها با اپنسیس OpenSees و سیمیولینک Simulink
  • (+) فیلم آموزش نرم افزار اوپن سیز پی ال OpenSeesPL برای مدل‌سازی گروه شمع و تحلیل‌های لرزه‌ای
  • (+) فیلم آموزش مدل‌سازی انواع سازه‌ها با OpenSees
• PLAXIS 3D
  • (+) فیلم آموزش مدل‌سازی فونداسیون‌های سطحی و عمیق در PLAXIS 3D
• ABAQUS
  • (+) مجموعه فیلم‌های آموزش آباکوس
• FLAC 3D
• ANSYS

نرم‌افزارهای بالا، قابلیت‌ها و محدودیت‌های مختص به خود را دارند. به عنوان مثال، نرم‌افزار ABAQUS برای مدل‌های پیچیده و نرم‌افزار PLAXIS 3D برای مدل‌های نسبتا ساده مناسب هستند. نرم‌افزار FLAC 3D، یک ابزار تخصصی در حوزه ژئوتکنیک به شمار می‌رود که تسلط بالا بر روی آن، نیازمند صرف زمان و یادگیری زبان برنامه‌نویسی FISH است.

ANSYS، به عنوان یک مجموعه نرم‌افزاری جامع در حوزه‌های مختلف مهندسی شناخته می‌شود. OpenSees، نرم‌افزار متن‌باز و رایگانی است که امکان تعریف مدل‌های رفتاری پیشرفته را فراهم می‌کند. به همین دلیل، می‌توان عکس‌العمل لرزه‌ای خاک را به خوبی در آن مورد تحلیل و بررسی قرار داد.

سوالات متداول در رابطه با دینامیک خاک

در این بخش، به برخی از سوالات پرتکرار در رابطه با دینامیک خاک به طور مختصر پاسخ می‌دهیم.

تعریف دینامیک خاک چیست؟

دینامیک خاک، رفتار خاک در برابر بارهای دینامیک (بارهای وابسته به زمان) است.

پارامترهای موثر بر دینامیک خاک چه هستند ؟

چگالی نسبی، مدول‌های الاستیک، فشار محصورکنندگی، خواص پلاستیک، کرنش، سرعت انتشار امواج و مقدار بارگذاری از پارامترهای موثر بر دینامیک خاک هستند.

خواص دینامیک خاک چگونه بدست می آیند؟

خواص دینامیک خاک با استفاده از آزمون‌های برجا و آزمایشگاهی به دست می‌آیند.

انواع آزمایش های دینامیک خاک چه هستند ؟

انواع آزمایش‌های دینامیک خاک (برجا و آزمایشگاهی) معمولا به دو نوع آزمایش با کرنش پایین و آزمایش با کرنش بالا تقسیم می‌شوند.

متداول ترین آزمون های آزمایشگاهی دینامیک خاک چه هستند؟

آزمایش‌های ستون تشدید و بندر المنت، متداول‌ترین آزمون‌های آزمایشگاهی با کرنش پایین هستند. آزمایش‌های سه‌محوری تناوبی، برش ساده تناوبی و پیچش تناوبی نیز از متداول‌ترین آزمون‌های آزمایشگاهی با کرنش بالا محسوب می‌شوند.

متداول ترین آزمون های برجای دینامیک خاک چه هستند؟

لرزه‌نگاری (انعکاسی و انکساری)، سنجش امواج سطحی و گمانه‌زنی، از رایج‌ترین آزمون‌های برجا با کرنش پایین به شمار می‌روند. CPT و SPT نیز از پرکاربردترین آزمون‌های برجا با کرنش بالا هستند.

چه نرم افزارهایی در دینامیک خاک مورد استفاده قرار می‌گیرند؟

نرم‌افزارهای PLAXIS ،OpenSees ،FLAC ،ABAQUS و ANSYS از نرم‌افزارهای شناخته‌شده در زمینه تحلیل دینامیکی خاک هستند.