فرادرسپدیده اتساع (Dilatancy) — مبانی و اهمیت این پدیده
«اتساع» (Dilatancy)، پدیده‌ای است که میزان تغییرات حجم مواد دانه‌ای در هنگام ایجاد تغییر شکل‌های برشی را نشان می‌دهد. اولین تعریف علمی اتساع، توسط «ازبورن رینولدز» (Osborne Reynolds) در بین سال‌های 1885 تا 1886 ارائه شد. به همین دلیل، این پدیده با عنوان «اتساع رینولدز» (Reynolds Dilatancy) نیز شناخته می‌شود.
مواد دانه‌ای متراکم در هنگام برش تمایل به اتساع (افزایش حجم) دارند. این رفتار بر خلاف رفتار مواد جامد بوده و دلیل آن، قفل شدن و عدم رهایی دانه‌ها در حالت متراکم است. اعمال تنش به این گونه مواد، باعث به وجود آمدن حرکت اهرمی بین دانه‌های مجاور و افزایش حجم ماده می‌شود. در طرف مقابل، با اعمال برش به یک ماده دانه‌ای سست، به جای اتساع و افزایش حجم، تراکم و کاهش حجم رخ خواهد داد. اگر با افزایش نیروی برشی، حجم ماده افزایش پیدا کند، به آن یک ماده «اتساعی» (Dilative) و در صورت کاهش حجم، به آن ماده «انقباضی» (Contractive) می‌گویند.
اتساع، یکی از خواص متداول خاک‌ها و ماسه‌ها است. اثرات اتساع را می‌توان در هنگام خشک شدن ماسه‌های کنار ساحل مشاهده کرد. در مجموع، این پدیده مبحث گسترده‌ای در مکانیک خاک محسوب می‌شود که توسط مهندسان ژئوتکنیک مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
رفتار خاک در حین پدیده اتساع
پدیده اتساع را می‌توان در هنگام انجام آزمایش برش ساده بر روی نمونه ماسه متراکم مشاهده کرد. در مراحل اولیه تغییر شکل، با افزایش کرنش برشی، کرنش حجمی نیز افزایش می‌یابد. با نزدیک شدن به نقطه اوج تنش، کرنش حجمی شروع به کاهش می‌کند.
پس از اعمال برش بیشتر، حجم نمونه نسبت به حجم اولیه آن افزایش می‌یابد.
میزان اتساع رابطه بسیار نزدیکی با چگالی خاک دارد. به طور کلی، هر چه مقدار چگالی خاک بزرگ‌تر باشد، میزان افزایش حجم آن در هنگام اعمال برش نیز بیشتر خواهد بود. علاوه بر این، آزمایش‌ها نشان داده‌اند که با کاهش تنش نرمال مؤثر، زاویه اصطکاک داخلی نیز کاهش می‌یابد.
رابطه بین اتساع و زاویه اصطکاک داخلی معمولاً توسط «مدل دندانه اره‌ای» (Sawtooth Model) نمایش داده می‌شود. در این مدل، زاویه اتساع متناظر با زاویه ایجاد شده توسط دندانه‌ها نسبت به افق است. با استفاده از این مدل می‌توان نتیجه گرفت که زاویه اصطکاک مشاهده شده با حاصل جمع زاویه اتساع و زاویه اصطکاک در اتساع صفر برابری می‌کند.
اهمیت پدید اتساع
با افزایش محصور شوندگی خاک، زاویه اصطکاک نیز تا رسیدن به یک مقدار حداکثری افزایش پیدا می‌کند. دلیل این امر، پدیده اتساع است. در ادامه، پس از رسیدن مقاومت خاک به یک مقدار حداکثری، زاویه اصطکاک به طور ناگهانی کاهش می‌یابد. در نتیجه، برای ارزیابی شیب، پی، تونل و پایه در چنین خاک‌هایی باید میزان کاهش احتمالی مقاومت خاک پس از رسیدن به حداکثر زاویه اصطکاک در نظر گرفته شود.
وجود سیلت ضعیف و غیریکنواخت به همراه ذرات شن می‌تواند باعث ایجاد مشکلاتی در حین عملیات ساخت و ساز شود. به دلیل درشت بودن ذرات سیلت، این گونه مواد اغلب به صورت دانه‌ای هستند و میزان فشردگی ذرات آن‌ها در بازه متراکم تا خیلی متراکم قرار می‌گیرد. اگرچه، با ایجاد برش در ناحیه گوه فعال بر اثر نیروهای ثقلی (به عنوان مثال، در شیب‌ها و دیواره‌های حائل)، مقاومت خاک از بین می‌رود و نرخ شکست افزایش می‌یابد. اگر درون ترک‌های کششی یا در نزدیکی بخش پشتی گوه فعال آب جمع شده باشد، نیروهای هیدرو استاتیکی موجود در این نواحی نیز باعث تشدید نرخ شکست می‌شوند. این شرایط معمولاً با مقداری پوسته پوسته شدن و فرسایش داخلی همراه خواهد بود. به همین دلیل، استفاده از فیلترهای مناسب برای کنترل رفتار مواد دانه‌ای بسیار ضروری است.
