تأثیرات شکل و اندازه شن‌دانه‌ها بر ویژگی‌های مقاومت برشی خاک‌های ماسه‌ای

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت معلم تهران، تهران، ایران

چکیده

امروزه محدودیت منابع قرضه با دانه‌بندی مناسب در فعالیت‌های رایج مهندسی، باعث رواج هر چه بیشتر استفاده از دانه‌های شنی با اندازه‌های درشت و تا مرز قلوه سنگ در خاکریزها شده است. به‌کارگیری چنین ذرات درشت‌دانه‌ای در شیب‌ها و خاکریزها مستلزم در نظر گرفتن تأثیرات آنها در مخلوط با خاک‌های ریزتر است. برای مثال تعیین متغیرهای مقاومتی و تغییر شکل چنین مخلوط‌هایی برای تعیین پایداری شیروانی‌ها، شیب پوسته سدهای خاکی و زمین‌لغزه‌ها ضروری است. از سوی دیگر در بسیاری از موارد، خاک ساختگاهی که با آن سر و کار داریم به صورت ترکیبی از شن‌دانه‌ها در خمیره‌ای از ذرات ماسه‌ای است. محدودیت ابعاد دستگاه‌های آزمایشگاهی متعارف مانع از انجام آزمایش بر روی نمونه‌های با ابعاد درشت می‌شود. بنابراین در این پژوهش تلاش شده است با استفاده از دستگاه برش مستقیم بزرگ مقیاس تأثیر شکل و اندازه شن‌دانه بر رفتار مکانیکی مخلوط‌های ماسه‌ای مشخص شود. در این پژوهش انجام تعدادی آزمایش برش مستقیم بزرگ مقیاس با جعبه برش 300 در 300 میلی‌متری بر مخلوط خاک ماسه‌ای و شن‌دانه‌های گردگوشه یا تیزگوشه با بیشترین قطر دانه‌های 5/12 و 4/25 میلی‌متر ترتیب داده شد. آزمایش‌ها بر روی نمونه‌های خشک در تراکم‌های نسبی 35، 60 و 85% و سربارهای 5/1، 3 و 5/4 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع و در درصدهای شن‌دانه صفر، 20، 40 و 60 درصد انجام شد. نتایج آزمایش‌ها نشان داد که شن‌های تیزگوشه نسبت به شن‌های گردگوشه به میزان بیشتری مقاومت برشی نهایی، مقاومت پسماند، زاویه اصطکاک و اتساع و شاخص تردی مخلوط‌های شن و ماسه را افزایش می‌دهند. به همین ترتیب، شن‌های با بیشترین قطر دانه 4/25 میلی‌متر نیز نسبت به شن‌های با بیشترین قطر دانه 5/12 میلی‌متر به میزان بیشتری بر روی متغیر‌های اشاره شده در بالا تأثیر می‌گذارند. همچنین تأثیر شکل و اندازه شن بر رفتار خاک‌های مخلوط در درصدهای شن‌دانه بیشتر، سربار زیادتر و تراکم نسبی بالاتر، آشکارتر است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Shape and Size Effects of Gravel Particles on Shear Strength Characteristics of Sandy Soils

نویسندگان [English]

  • A. Hamidi
  • N. Salimi
  • V. Yazdanjou
School of Engineering, Tarbiat Moallem University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

There are always limitations for appropriate borrow materials in common engineering activities which results in wide usage of mixed soils with larger particles up to boulders. Using these types of materials need correct knowledge of their behavior. For example, shear strength characteristics of mixed soils are usually required for stability analysis of slopes, landslides and earth dams. However, there are limitations in experimental studies on soil mixtures due to the small size of testing specimens. In the present study, a regular set of large scale direct shear tests performed to investigate gravel particles shape and size effects on shear strength characteristics of fine sands. The tests conducted using direct shear apparatus with 300 mm × 300 mm shear box. Poor graded fine sand was used as the base material and mixed with zero, 20, 40 and 60 percent of angular and rounded gravel grains with maximum size of 12.5 and 25.4 mm as oversized particles. All tests performed on dry samples in drained condition. Samples prepared in three different relative densities of 35, 60 and 85 percent and tested using three surcharge pressures of 150, 300 and 450 kPa. According to the results, shape and size of oversized particles strongly affect direct shear strength characteristics of sand-gravel mixtures. Mixtures with angular and larger gravel grains show more shear strength and dilation compared to mixtures contain rounded and smaller oversized particles. Enhancement of gravel content, surcharge pressure or relative density increases the effects of oversized particle on shear behavior of mixture.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Shear strength
  • Relative Density
  • Surcharge Pressure
  • Gravel Content
  • Gravel Shape
  • Gravel Size
 
References
ASTM, 1998- Annual book of ASTM standards: soils and rock division, West Conshohocken, Philadelphia, U.S.A.
Bishop, A.W. & Green, D. G., 1956- The influence of end restraints on compressive strength of a cohesionless soil, Géotechnique, 15: 243-266.
Bolton, M. D, 1986- The strength and dilatancy of sands, Géotechnique, 36(1): 65-78.
Bolton, M. D., 1987- Discussion on the strength and dilatancy of sands, Géotechnique, 37(1): 219-226.
Evans, M. D. & Zhou, Sh., 1995- Liquefaction behavior of sand-gravel composites, ASCE Journal of Geotechnical Engineering Division, 121(3): 287-298.
Fragaszy, R. J., Su, W. & Siddiqi, F. H., 1990- Effect of oversized particles on the density of clean granular soils, ASTM Geotechnical Testing Journal, 13(2): 106-114.
Fragaszy, R. J., Su, W., Siddiqi, F. H. & Ho, C. L., 1992- Modeling strength of sandy gravel, ASCE Journal of Geotechnical Engineering Division, 118(6): 920-935.
Hamidi, A., Yazdanjou, V. & Salimi, N., 2009a- Shear strength characteristics of sand-gravel mixtures, International Journal of Geotechnical Engineering, 3(1): 29-38.
Hamidi, A., Alizadeh, M. & Soleimani, N., 2009b- Effect of particle crushing on shear strength and dilation characteristics of sand-gravel mixtures, International Journal of Civil Engineering, 7(1): 61-72.
Kokusho, T., Hara, T. & Hiraoka, R., 2004- Undrained shear strength of granular soils with different particle gradations, ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering Division, 130(6): 621-629.
Kuenza, K., Towhata, I., Orense, R. P. and Wassan, T., 2004- Undrained torsional shear tests on gravely soils, Landslides: 1(3): 185-194.
Krumbein, W. C., 1941- Measurement and geological significance of shape and roundness of sedimentary particles, Journal of Sedimentary Petrology, 11(2): 64-72.
Krumbein, W. C. & Sloss, L. L., 1963- Stratigraphy and sedimentation, 2nd edition. W.H. Freeman publishing company, San Francisco.
Mitchell, J. K. & Soga, K., 2005- Fundamentals of soil behavior, 3rd edition. John Wiley and Sons Inc., U.S.A.
Poulos, S. J., 1981- The steady state of deformation, ASCE Journal of Geotechnical Engineering Division, 107(GT5): 553-562.
Powers, M. C., 1953- A new roundness scale for the sedimentary particles, Journal of Sedimentary Petrology, 23: 117-119.
Simoni, A. & Houlsby, G. T., 2006- The direct shear strength and dilatancy of sand-gravel mixtures, Geotechnical and Geological Engineering Journal, 24(3): 523-549.
Taylor, D. W., 1948- Fundamentals of soil mechanics, John Wiley and Sons Inc., U.S.A.
Thevanayagam, S., Liang, J. & Shentan, T., 2000- Contact index and liquefaction potential of silty and gravely soils. in: 14th ASCE Engineering Mechanics Conference, University of Texas in Austin, PP 21-24.
Vallejo, L. E. & Luis, E., 2001- Interpretation of the limits in shear strength in binary granular mixtures, Canadian Geotechnical Journal, 38(5): 1097-1104.
Wadell, H., 1932- Volume, shape and roundness of rock particles, Journal of Geology, 40: 443-451.
Yagiz, S., 2001- Brief note on the influence of shape and percentage of gravel on the shear strength of sand and gravel mixture, Bulletin of Engineering Geology and Environment, 60(4):321-323.