مفهوم تنش موثر (Effective Stress):
«تنش موثر» (Effective Stress)، نیرویی است که مجموعه ای از ذرات را به صورت صلب در کنار یکدیگر نگه می دارد.
این نیرو معمولاً در موادی نظیر شن، ماسه یا خاک مشاهده می شود. در این مقاله، شما را با مفهوم تنش موثر آشنا خواهیم کرد.
در صورتی که تعدادی سکه را بین انگشتان خود قرار دهید و به آن ها فشار وارد کنید، سکه ها در کنار یکدیگر باقی می مانند.
اگر فشار بین انگشتان خود را کاهش دهید، سکه ها از هم جدا می شوند و در آستانه افتادن قرار می گیرند. به همین ترتیب، ذرات یک تپه شنی نیز مانند یک مایع در کنار یکدیگر قرار دارند و از هم جدا نمی شوند.
در واقع، وزن این شن ها ذرات را در آرایش فعلی شان و کنار یکدیگر نگه می دارد. این وزن و فشار همان تنش موثر است.
تنش موثر با اعمال نیروهای اضافی به راحتی تغییر می کند. این مسئله در هنگام قدم زدن بر روی تپه های شنی کاملاً مشهود است. از این رو، در مطالعه پایداری شیب و روانگرایی خاک (مخصوصاً در هنگام زلزله)، عامل مهم تنش موثر باید در نظر گرفته شود.
«کارل فون ترزاقی» (Karl von Terzaghi)، یکی از مشهورترین مهندسین عمران و ژئوتکنیک جهان که به پدر مکانیک خاک نیز معروف است، اولین رابطه محاسبه تنش موثر را در سال 1925 ارائه کرد. واژه موثر برای ترزاقی، به معنای تنشی بود که بر روی حرکت خاک یا ایجاد جابه جایی ها تأثیر داشت.
این تعریف، تنش میانگین اعمال شده به اسکلت خاک را نشان می دهد.
تنش موثر (‘σ) اعمال شده بر روی یک خاک، با استفاده از دو پارامتر تنش کل (σ) و فشار آب منفذی (u) به صورت زیر محاسبه می شود:
σ‘=σ−u
معمولاً در مثال های ساده، پارامترهای بالا توسط روابط زیر به دست می آیند:
σ=Hsoilγsoil
u=Hwγw
همانند مفهوم تنش، این فرمول نیز ساختاری برای تجسم نیروهای اعمال شده بر یک توده خاک، مخصوصاً برای مدل های ساده تحلیل پایداری شیب به همراه یک سطح لغزش را ارائه می کند.
در این مدل ها، دانستن وزن خاک بالای سطح لغزش (به همراه آب) و فشار آب منفذی درون سطح (با فرض اعمال فشار به صورت یک لایه محصورشده) اهمیت بالایی دارد.
با این وجود، رابطه تنش موثر هنگام در نظر گرفتن رفتار واقعی ذرات خاک در شرایط مختلف پیچیده تر می شود زیرا هیچ یک از پارامترهای این رابطه مستقل نیستند.
مجموعه ای از شن و ماسه های کروی کوارتز را در نظر بگیرید که آزادانه و با آرایشی همانند شکل زیر در کنار یکدیگر قرار گرفته اند. در شکل زیر، یک تنش تماسی در نواحی اتصال کره ها قابل مشاهده است (نواحی پر رنگ).
اگر تعداد کره ها بیشتر شود، تنش های تماسی نیز افزایش می یابند. این افزایش تا هنگام ایجاد یک ناپایداری اصطکاکی (اصطکاک دینامیک) و احتمالاً شکست ادامه خواهد داشت.
پارامتر مستقل تأثیرگذار بر روی ناحیه تماس (نرمال و برشی) بین کره ها، نیروی کره های بالایی است. این پارامتر را می توان با استفاده از چگالی میانگین مجموعه کره ها و ارتفاع کره های بالایی محاسبه کرد.
اگر کره ها را همانند شکل زیر درون یک بِشِر قرار دهیم و آن را با مقداری آب پر کنیم، ذرات با توجه به چگالی شان شروع به شناور شدن درون آب می کنند (خاصیت شناوری). خاصیت شناوری در مواد تشکیل شده از خاک طبیعی بسیار قابل توجه تر از دیگر مواد است.
به عنوان مثال، در هنگام بلند کردن یک قطعه سنگ بزرگ درون آب، تأثیر این خاصیت به خوبی مشاهده می شود.
تنش تماسی بین کره ها تا رسیدن آب به بالاترین نقطه مجموعه کاهش می یابد اما پس از این نقطه و با اضافه کردن آب بیشتر دیگر هیچ تغییری در تنش تماسی رخ نخواهد داد. در این وضعیت، فشار آب بین کره ها (فشار آب منفذی) بیشتر می شود اما تنش موثر ثابت باقی می ماند زیرا مفهوم تنش کل با وزن آب بالای کره ها در ارتباط است.
این مسئله، مفهوم تنش موثر را پیچیده تر می کند. برای محاسبه این تنش در هر نقطه می توان از چگالی شناوری کره ها (خاک) و ارتفاع کره های بالایی استفاده کرد.
در شرایط وجود فشار آب منفذی غیر هیدرو استاتیک، مفهوم تنش موثر بسیار جالب تر می شود. هنگام وجود گرادیان فشار منفذی، آب زیرزمینی بر اساس معادله نفوذپذیری یا همان «قانون دارسی» (Darcy’s Law) جریان می یابد.
در مدل های کروی، این مسئله مشابه ورود یا خروج آب بین کره ها است. در صورت ورود آب، نیروی نَشت در جهت جدایش کره ها و کاهش تنش موثر عمل می کند. بنابراین، توده خاک ضعیف تر می شود. در صورت خروج آب، کره ها به یکدیگر نزدیک تر می شوند و تنش موثر افزایش می یابد.
دو پیامد مهم وجود فشار آب منفذی غیر هیدرو استاتیک عبارت است از:
|
|
|
|
| نماد اعتماد الکترونیک | نشان ملی ثبت | گواهی شامد ارشاد |
© کلیه حقوق مادی و معنوی این وب سایت متعلق به داده پردازان هومان پویان می باشد.
