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.

فیلم آموزش مکانیک خاک – مرور و حل سوالات آزمون های استخدامی در فرادرس

کلیک کنید

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:

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