مبانی نظری و پیشینه تحقیق برای فصل دوم پایان نامه بررسی آزمایشگاهی و عددی پدیده قوسی خاک

۱-۱-۱-پیشینه تحقیق

پدیده قوسی^[۱] حدود ۱۵۰ سال پیش شناخته شد. تحقیقات در این زمینه به‌صورت پراکنده و اغلب نسبت به یک ناحیه­ی خاص که از اهمیت ویژه­ای در آن نقطه زمانی داشته است، می­باشد. پدیده قوسی در بسیاری از مسائل ژئوتکنیک وجود دارد. درحالی‌که پدیده قوسی در ابتدا در زمینه­ی غیره ژئوتکنیکی شناخته شده و مورد بررسی قرار گرفته است. در حدود سال ۱۸۰۰ مهندسان نیروی نظامی فرانسه اقدام به طراحی مخزن سیلو نمودند (فلد^[۲]، ۱۹۴۸). آن‌ها یافتند که قسمت انتهایی سیلو فقط بخشی از وزن کل مصالح بالای آن را حمل می­کند و دیوارهای کناری در معرض نیروی بیشتری نسبت به آنچه که انتظار می­رفت، قرار دارند. آزمایشات نشان دادند که اگر مقطع کوچکی از قسمت انتهایی جدا شده و به پایین حرکت کند، نتیجه می­شود که نیروی وارده به مقطع بسته به ارتفاع مصالح داخل مخزن دارد. آن‌ها نتیجه گرفتند، یک قوس در بالای مقطع جابجا شده، شکل می­گیرد. بعد از سال ۱۸۰۰ این دانش از رفتار در مخزن سیلوها در طراحی سیلوها برای مصالح دانه­ای و سایر مصالح ذره­­ای به کار برده شد. در محدوده­ی سال ۱۹۱۰ پروژه مهم زهکشی زمین در میدوست جریان یافت (اسپانگلر و هندی^[۳]، ۱۹۷۳). مهندسان یافتند که بسیاری از لوله­های زهکش پس از نسب و ریختن خاک، دچار شکست شده­اند. آنسون مارستون، تحقیقات وسیعی در دانشگاه ایالت آیووا در رابطه با نیروهای وارده بر لوله‌های دفن شده در زمین انجام داد و دریافت که به دلیل انعطاف‌پذیر بودن لوله­ها و همچنین روند نسب، مقدار نیرو تغییر می­کند؛ که این تغییر به پدیده قوسی نسبت داده شد. در سال ۱۹۲۰ تا ۱۹۳۰ اهمیت آرچینگ در اطراف تونل­ها شناخته شد؛ که این از آزمایشات متعددی که حتی امروزه نیز مورد استفاده قرار می­گیرد حصول گردید (سزچی^[۴]، ۱۹۹۶). در ۱۹۳۶ ترزاقی با انجام آزمایش‌هایی تئوری آرچینگ را مطرح کرد. در سال ۱۹۶۰ زمانی که وزارت دفاع آمریکا حمایت قابل‌توجهی از تحقیقات در زمینه اندرکنش خاک-سازه کرد. تکنیک­هایی برای طراحی سخت­تر استحکامات نظامی نیاز شد و شناخته شد که پدیده قوسی این امکان را می­دهد که از زیر، زمین برای محافظت از حملات نظامی هسته­ای که باعث نابودی کلیه سازه­های سطحی می­شود، بهره برد؛ که اغلب این تحقیقات را سیمپسون در سال ۱۹۶۴ در زمینه اندرکنش خاک-سازه ارائه داد. امروز با گذشت بیش از ۵۰ سال از ارائه تئوری آرچینگ به دلیل اهمیت این پدیده در طراحی سازه­ای و مسائل ژئوتکنیکی در سازه­های مدفون هنوز تحقیقات در این زمینه ادامه دارد.

در ایران نیز دکتر مسعود مکارچیان با ساخت دستگاه اندازه‌گیری نيروي قوس زدگي، این پدیده را در مصالح ماسه­ای مورد بررسی قرار داد. درنهایت شاخص قوس زدگی با توجه به میزان دانسیته نسبی مصالح ماسه­ای و نیز ارتفاع نمونه خاک در سلول آزمایش ارائه شد. همچنین دکتر جمشید صدر کریمی در سال ۱۳۸۹ در دانشگاه تبریز این پدیده را در حالتی که شکل دریچه­ها دایره و با قطرهای متفاوت بوده، مورد بررسی قرار داد تا تأثیر شکل دریچه و ابعاد آن بر پدیده قوسی را به دست آورد.

۱-۱-۲- پدیده قوسی (Arching)

عمومی­ترین تعریف قابل‌قبول برای پدیده قوسی توسط ترزاقی^[۵] (۱۹۴۳) ارائه گردید، به‌طور خلاصه اگر قسمتی از دریچه­ی صلب توده­ی خاک رو به پایین حرکت کند شکل (۱-۶)، خاک مجاور، با توجه به باقی‌مانده از توده خاک، حرکت می‌کند. این حرکت با استفاده از تنش­های برشی که باعث کاهش فشار در قسمت پایین آمده­ی دریچه و افزایش فشار در اطراف قسمت صلب می­شود، مقاومت می­کند. این تئوری پدیده قوسی می­باشد و این اغلب زمانی اتفاق می­افتد که یک قسمت از دریچه نسبت به قسمت­های مجاور پایین‌تر باشد. بسته به حرکت­های مرتبط سازه و زمین اطراف می­توان پدیده قوسی را به دو حالت محرک و مقاوم مجزا نمود. شکل (۱-۱) آرچینگ محرک^[۶] را نشان می­دهد (که در بعضی موارد آرچینگ مثبت خوانده می­شود). سازه­ی موجود درون توده خاک اگر تغییرشکل پذیرتر از خاکی که آن را احاطه کرده، باشد، (هنگامی‌که بار بیش از حد و یا اضافی به سیستم اعمال گردد، سازه تغییر شکل بیشتری نسبت به خاک خواهد داد (شکل ۲-۱)). تنش­ها بر روی سازه کمتر از تنش­های ژئواستاتیک می­باشد، در صورتی که تنش­ در خاک اطراف سازه بزرگ‌تر است. شکل (۳-۱) آرچینگ مقاوم^[۷] را نشان می­دهد (که اغلب به‌عنوان آرچینگ منفی شناخته می­شود). در اینجا خاک نسبت به سازه تراکم­ پذیرتر می­باشد و از این­ رو باعث افزایش فشار کل بر روی سازه و همچنین کاهش

….

….