مقدمه

پیدایش ترک در سطح سدهای خاکی ممکن است بهعلت نامتعادل بودن نشستها، جابهجاییهای افقی ناشی از انقباض و انبساط، تفاوت بین مدولهای تغییر شکل بخشهای مختلف سد، تفاوت تغییر شکل پذیری خاک و بخشهای صلب مجاور سد، نفوذ آب و شستشوی دانههای ریز و عوامل دیگر باشد. در هر حال هنگامی که کرنش کششی یا کرنش برشی در ناحیهای از سد از حد مشخصی فزونی یابد، ترکهایی در سد ظاهر میشود. این ترکها در صورتی که عمیق باشند و ترمیم نشوند ممکن است منجر به ریزش بخشی از سد

گردند.

در ترک خوردگی سدها علاوه بر تأثیر نیروها، نوع، رطوبت و دانسیته خاک متراکم شده و حتی کانیهای تشکیلدهنده خاک میتوانند نقش بهسزایی داشته باشد. به هر حال خاکهای خشک و با پلاستیسیته کمتر احتمال ترکخوردگی بیشتری دارند. از آنجا که مقاومت کششی خاک ناچیز است، حتی کرنشهای کششی کم میتواند موجب ترکخوردگی خاک شود. آزمایشهای متعدد پژوهشگران نشان میدهد که این کرنش کششی در محدوده ۰/۱۵ تا ۰/۴۸ درصد است و در خاکها و شرایط مختلف، متفاوت است .[۹] برای اندازهگیری و مشاهده و بررسی وضعیت ترک خوردگی سدها، پژوهشهای متعددی صورت گرفته است. اسکوفید۱

(۲۰۰۰) نشان داد که با استفاده از اصول مکانیک خاک حالت بحرانی میتوان امکان بهوجود آمدن ترک در خاکهای ریزدانه با پلاستیسیته کم را بررسی کرد. وی با بررسی مناطقی که در آنها نسبت تنش برشی به تنش متوسط نرمال باعث بهوجود آمدن کشش در خاک میشود و همچنین با جایگزین کردن نشانه خمیری بهجای حجم ویژه در نمودار تنش موثر همه جانبه-حجم ویژه شرایطی را که در خاک ریزدانه میتواند ترک ایجاد کند را مشخص کرد. ماناهن۲ و اسکوفید (۲۰۰۰) از این روش برای بررسی پتانسیل ترکخوردگی در سد تتون۳ که در اثر ناپایداری داخلی هسته دارای پلاستیسیته کم آن تخریب شد استفاده کردند و نشان دادند که بر اساس این روش، در محلهایی که شروع تخریب از آن نقاط است، پتانسیل ایجاد ترک وجود داشته است. بـرای بهکاربـردن این روش میتوان با استفاده از مدلسازی بهروش اجزای محدود
۱٫ Schofield 2. Munahan 3.Teton

مشکلات ناشی از درصد نشانه خمیری کم هسته سدهای خاکی بررسی موردی: سد دوستی استان خراسان رضوی ۲۳۳۱

رفتار تنش-کرنش سد، نقاط مربوط به کشش را در سدهای خاکی تعیین و راههایی برای ترمیم آنها پیشبینی کرد .[۱]

کاربرد مکانیک خاک حالت بحرانی برای بررسی پتانسیل ترکخوردگی

مرزهای حالت حدی برای توده های رسوبی

بر اساس نظر اسکوفید (۲۰۰۰) مجموعه ذراتی که خاک طبیعی یا ساخته شده بهدست انسان را تشکیل میدهند سه گروه رفتاری مجزا و جداگانه را نشان میدهند (شکل .(۱ در

عمقهای زیاد فشار بالا، باعث تسلیمشدگی شکلپذیر توده خاک میشود و لایه رسوبی را وادار به چینخوردن میکند. در بالای این اعماق و در فشارهای کمتر مجموعه ذرات خاک شکسته می شود و لایهها در امتداد صفحات لغزش گسیخته میشوند. در نزدیکی سطح جایی که فشار به مراتب کمتر از این اعماق است لایهها شکاف بر می دارند و ترکهای بزرگی در خاک ایجاد می شود. در مکانیک خاک حالت بحرانی، خاک تودهای از ذرات اصطکاکی با قفل و بست داخلی است و نوع رفتار خاک وابسته به چگالی و تنش مؤثر آن است .[۱]

شکل .۱ چینها، گسلها و شکافها در تودههای رسوبی (اسکوفید،(۲۰۰۰

۲۳۳۲ نشریه زمینشناسی مهندسی، جلد هشتم، شماره ۳ پاییز ۱۳۹۳

ارتباط پتانسیل ترکخوردگی با رفتار خاک در فضای

در محیط خاک حالت بحرانی تراکم و تورم الاستیک بهطور معمول از معادله (۱) پیروی میکند.

(۱)

که vk محل برخورد هر خط دلخواهی با محور در نمودار v-Lnp” است؛ برای مثال در

شکل ۲ مقدار vk فشار p’ و حجم ویژه برای تعریف رفتار توده ذرات تحت شرایط متناظر با خطی که از نقطه A میگذرد، بهکار میرود. مشخصههای تراکم و تورم کشسان یک توده،

شیب این خط را تعریف میکند و مقدار vk به چگالی توده وابسته است. برای خاک ایدهآل مانند آن چه در مدل کم- کلی۱ تعریف میشود، در حالت رفتار الاستیک هیچ لغزشی بین ذرات توده خاک روی نمیدهد.تغییر شکلهای خمیری زمانی رخ میدهد که لغزش بین ذرات

نقاط تماس دانهها را کم کند هر زمان تغییر شکل خمیری در توده بهوجود بیاید، ساختمان

جدیدی از ذرات تشکیل می شود (موقعیت ذرات نسبت به هم تغییر می کند) و خط تراکم و

تورمی با همان شیب ولی با vkای متفاوت بهوجود میآید. این جابهجایی بین خطوط تغییر حجمی خمیری از وضعیتی به وضعیت جدید را نشان میدهد. دو نمونه از توده ذرات را در نظر بگیرید که تنش مؤثر عمودی میانگین یک سان دارند. فرض کنید که یکی روی خط (A) و دیگری روی خط (B) قرار داشته باشد و این دو خط شبکهای یکسان از ذرات درشتدانه تحت فشار اما متفاوت در مقدار ذرات ریزدانه با تنش کم دارند (شکل .(۲

شکل .۲ رفتار توده خاک و حالت بحرانی (اسکوفید-(۲۰۰۰

۱٫ Cam-Clay

مشکلات ناشی از درصد نشانه خمیری کم هسته سدهای خاکی بررسی موردی: سد دوستی استان خراسان رضوی ۲۳۳۳

اگر خط (A) مقدار vk بیشتری از خط ( ) داشته باشد، نمونه (A) ذرات ریزدانه با تنش کم، کمتری نسبت به نمونه (B) دارد. اگر اجتماع ذراتی که بـهوسـیله (A) و ( ) نشـان داده میشوند تحت تنش برشی قرار بگیرند و اجازه زهکشی به نمونهها داده شود، انتظار میرود کـه ذرات پر فشار بلغزند و تغییر حجمی خمیری ایجاد کننـد و در نتیجـه ذرات شـبکه پـر فشـار دیگری را تشکیل میدهند.

واکنش حجمی خمیری دو نمونه که تنش مؤثر میانگین یکسـان دارنـد. بسـته بـه ماهیـت قرارگیری ذرات ریزدانه با تنش کم آن ها، متفاوت خواهد بود. نمونه (A) بـا ذرات ریزدانـه بـا

تنش کم، کمتری که روی خط (A) قرار دارد و نمونه ای سست است، در هنگـام تغییـر شـکل برشی با کاهش vk، متراکم خواهد شد. اما نمونه متـراکم روی خـط (B) بـا افـزایش vمتّسـع خواهد شد. بین این دو حد یک چگالی ویژه وجود د ارد که در آن چگالی هنگام تغییـر شـکل برشی ناشی از بارگذاری متوالی که بهوسیله شبکه هـای ذرات تحـت تـنش در حـال تحمـل است، ساختارهای جدیدی از ذرات در همان چگالی توده بهطـور متـوالی تشـکیل و تخریـب میشوند. در این افزایش کرنش برشی یک نسبت قطعی از ذرات که یک زمانی اسکلت حمـل بار توده را تشکیل می دادند، اکنون عنوانبه ذرات منفرد تبدیل به ذرات نسبتاً کم تنش یا بـدون تنش شدهاند و نقش ذرات پرکننده حفرهها را بازی میکنند. نظریه حالت بحرانی این است کـه نسبت منافذ بحرانی وجود دارد که در آن جریان دائمی در تنش مـؤثر عمـودی میـانگین ثابـت

، بدون آسیب به ذرات و فقط با تغییر در موقعیت آنها محتمل است.

حالتهای حدی در فضای تنشهای q-p

در چارچوب خاک حالت بحرانی نمایش وضعیت صفحات مرزی تعدیل شده در فضاهای p/pcrit، q/pcrit نشان داده شده است (شکل .(۳

مکانیک خاک حالت بحرانی رفتار خاک در وضعیتهای حدی را به سه گروه گسیختگی مجزا تقسیم میکند. خط حدی OA و OG که وضعیت خاک هنگام تشکیل ترکهای باز یا شکافها را نشان میدهد (کشش). خطوط GE و AB ترکهای ورسلف روی صفحات گسل

۴۳۳۲ نشریه زمینشناسی مهندسی، جلد هشتم، شماره ۳ پاییز ۱۳۹۳

را نشان میدهند و خطوط BD و ED نیز تسلیمشدگی با معیار کم-کلی و چینخوردگی لایههای رسوبی را نشان میدهند.

وضعیتهای مختلف خاک روی سطوح ترک موجب ایجاد شکافها و ترکهای باز ناپایدار میشود. رسهای بهشدت پیش تحکیم یافته و ماسههای بهشدت متراکم شده در تنشهای محصور کننده کم میتوانند به این وضعیتهای حدی برسند.

برای نمونهای سهمحوری معیار عدم کشش با ۳=۰ بهصورت p”= 1/3 یا q/p´=۳
است و به وجود آمدن کشش منجر به ترکهای عمودی که شاخص آن خط OA است
میشود. برای به وجود آمدن ترکهای افقی معیار ۱=۰ بهصورت p”=2/3 3، q “= 3 یا

q/p´=۱/۵ در میآید که شاخص آن خط OG است. برای رسها و رسهای لایدار، اسکوفیلد (۱۹۸۰) پیشنهاد کرده است که تغییر از حالت گسیختگی به ترکهای کششی در فشار p”=0/1p c اتفاق میافتد که در آن p c تنش محصورکننده در حالت بحرانی است. این معادل نسبت بیش تحکیمی در حدود ۲۰ است. هنگامی که مسیر تنش مؤثر سطح ترک خوردگیOA، را قطع میکند المان خاک شروع به فروپاشی میکند و بهصورت تودهای از دانهها که تحت تنش نیستند، از توده خاک جدا میشوند. در چنین موردی حجم ویژه میانگین توده جدا شونده میتواند افزایش پیدا کند (در اثر ترکها و حفرههای بزرگ) و به تبع آن

نفوذپذیری توده نیز بهشدت و به سرعت افزایش پیدا خواهد کرد.

تنشهای برشی بزرگ داخلی و خارجی در تنش محصورکننده کم میتوانند باعث عبور وضعیت خاک از سطح شکست و افزایش چشمگیری در حجم ویژه شوند. هنگامی که چنین وضعیتی بهوقوع بپیوندد حفرات در توده خاک میتوانند تبدیل به لوله یا کانالی موضعی شوند. اگر چنین حفرههایی (کانال یا ترک) در معرض آب قرار بگیرند میتواند منجر به ایجاد جریان آزادانه آب از درون توده خاک به سمت شیب پاییندست (در سدها) شوند.

۱٫ Clastic Body

مشکلات ناشی از درصد نشانه خمیری کم هسته سدهای خاکی بررسی موردی: سد دوستی استان خراسان رضوی ۲۳۳۵
B
Fault

A Fracture

Fold 1 0.1
1.9
O

D

G

E

شکل .۳ محدوده حالتهای پایدار در فضای تنشهای تعدیل شده (اسکوفید-(۲۰۰۰

بررسی پتانسیل ترکخوردگی در سدهای خاکی بررسی موردی: سد دوستی

گستره طرح از دیدگاه زمینشناسی در منتهیالیه شرقی زون زمینساختی هزارمسجد-کپهداغ واقع شده است. شرق کپهداغ کم عمقترین منطقه حوضه رسوبی هزارمسجد-کپهداغ است بهطوریکه کهنسالترین واحدهای سنگی این زون که متعلق به دوران اول زمینشناسی است در این منطقه رخنمون دارند ورسوبات دوران دوم وسوم نیز با ضخامت نسبتاً کمی در این بخش تشکیل شدهاند.

سد دوستی که از نوع خاکی سنگریزهای با هسته سیلتی است و در موقعیت عرض جغرافیایی ۳۵ ۷۵ شمالی و طول جغرافیایی ۶۱ ۹ شرقی در مرز مشترک ایران و ترکمنستان واقع شده است. این سد با ارتفاع ۷۹ متر از پی با طول تاج ۶۵۵ متر و عرض ۴۱۸ متر در پی و ۱۵ متر در تاج بهمنظور تأمین آب شرب مشهد و آب کشاورزی دشت سرخس ساخته شده است. بخش نفوذناپذیر بدنه سد دوستی شامل هسته ای رسی سیلتی با نفوذپذیری متوسط ۷۵×۱۰-۷ سانتیمتر بر ثانیه است که بر روی سنگ کف سالم قرار گرفته است .[۱۱] مصالح هسته سیلتی در تماس با پی و گالری و تکیه گاهها باید ضریب خمیری حداقل ۱۵ داشته باشد،