فرض کنید تنش تراکمی یکنواختی مشابه تنش همه جانبه به جسمی که در آن فرو رفته است به ذرات با آرایش مکعبی وارد شود. در این حالت هیچگونه تغییری در آرایش ذرات صورت نگرفته و نسبت پوکی ثابت میماند. اما با اعمال نیروی برشی یکنواخت ذرات به حداقل تخلخل میرسند (شکل 2-1)[5].
شکل (2-1) تنش برشی عامل تراکم در خاکهای دانهای
با توجه به اینکه ارتعاش باعث القاء تنش برشی و در نتیجه تغییر شکل برشی میگردد لذا عکسالعمل ذرات به ارتعاش مشابه زمانی است که نیروی برشی یکنواختی به آنها وارد شود که باعث میشود ذرات به حداقل پوکی برسند. برای روشن شدن موضوع نحوه انتشار امواج در اثر بارگذاری در سطح توضیح داده میشود.
هنگامی که بار دینامیکی ناشی از ضربه به طور ناگهانی به جسم وارد میشود تمام جسم در یک لحظه متأثر نخواهد شد. قسمتی از جسم که به منبع تولید بار نزدیکتر است ابتدا متأثر شده و تغییر شکلهای ایجاد شده به علت بهم خوردگی و اغتشاش جسم به شکل امواج تنش در سایر نقاط جسم منتشر میشود.
در زمین همگن، ایزوتروپ و الاستیک اگر ناگهان در نقطهای نزدیک سطح بار دینامیکی وارد شود، سه موج الاستیک با سرعتهای متفاوت از محل ضربه به خارج انتشار مییابد. دو موج به عنوان امواج پیکرهای هستند که به صورت جبهههای کروی انتشار یافته و خیلی کم تحت تأثیر سطح آزاد زمین قرار میگیرند. سومین موج سطحی است و دامنه آن به سرعت با عمق کاهش مییابد. دو موج پیکرهای با هم متفاوت هستند. موجی که سریعتر حرکت میکند موج اولیه (P)، طولی یا فشاری نامیده میشود. این موج سبب حرکت ذرات در راستای انتشار میشود ولی موج کندتر یا موج برشی یا ثانویه (S) باعث حرکت ذرات در جهت عمود بر راستای انتشار میگردد. این موج به دلیل طبیعت برشی در سیالات انتشار نمییابد.
هر سه موج همچنانکه به سمت خارج حرکت میکنند حجم بیشتری از مصالح را متأثر میکنند. بنابراین شدت انرژی هر موج با فاصله گرفتن از منبع انتشار آن کاهش مییابد. دامنه ارتعاشات امواج پیکرهای به نسبت (r فاصله از منبع تولید موج است) کاهش مییابد این در حالی است که کاهش دامنه ارتعاشات در سطح به نسبت است. کاهش دامنه امواج سطحی (امواج رایلی) به نسبت است [5].
(شکل 2-2) نحوه انتشار امواج در یک محیط پیوسته، همگن و ایزوتروپ در اثر بارگذاری دینامیکی ناشی از ضربه [5]
در خاکهای اشباع موج P که تراکمی است از فاز سیال عبور میکند و باعث افزایش فشار آب منفذی شده و به دلیل حرکت کششی-فشاری باعث تغییر در اسکلت خاک میشود. موج S که موج برشی است از دانهای به دانه دیگر به کندی عبور کرده و باعث قرار گیری ذرات در وضعیت متراکمتر میگردد و موج رایلی که زیر سطح و به موازات آن حرکت میکند نقشی مشابه موج برشی دارد [5]. بنابراین در اثر بارگذاری دینامیکی موجی جهت القاء تنش برشی به ذرات وجود دارد. نتیجه این بارگذاری، تنش برشی همراه با تنش قائم ناشی از سربار، چرخش و انتقال دانهها از یک وضعیت سست مشابه آرایش مکعبی به یک وضعیت متراکم مشابه آرایش لوزی شکل میباشد. در تراکم دینامیکی (شکل 2-3) بخش A دارای تغییر شکل پلاستیک بوده ولی هر نقطه روی جبهه B که در حاشیه بخش A قرار دارد به عنوان منبع تولید موج P و S است [5].
(شکل 2-3) امواج برشی، تراکمی و سطحی ایجاد شده در اثر تراکم دینامیکی
2-3-2 تراکم دینامیکی در خاکهای ریزدانه
تا سال 1970 تکنیکی که در آغاز با نام کوبش سنگین شناخته شده بود در مصالح شنی و ماسهای کابرد داشت. اما بعد از آن امکاناتی فراهم شد که این روش در خاکهای رسی اشباع نیز استفاده شود. از آن زمان به بعد این روش تحت عنوان تحکیم دینامیکی نامیده شد [6].
قبل از اعمال ضربه های سنگین به رسهای اشباع، چنین تصور میشد که امکان تحکیم این خاکها به نحو رضایت بخش جود ندارد. سپس مشخص شد که در این مصالح وجود حبابهای ریز گاز منجر به تراکم پذیری خاک تحت اثر نیروهای دینامیکی شدید میشود. علاوه بر آن ایجاد ترکهای شعاعی در اطراف محل ضربه نقش اساسی در تسریع از بین رفتن فشار آبهای منفذی دارند و حتی گاهی منجر به ظهور آبفشانها در سطح میگردند. به منظور درک مکانیزم تحکیم دینامیکی بایستی به 4 نکته توجه داشت [6]:
قابلیت تراکم پذیری خاکهای ریزدانه اشباع ناشی از وجود حبابهای ریز گاز است.
در اثر ضربههای مکرر روانگرایی تدریجی در خاک اتفاق میافتد.
در اثر ایجاد ترکهای شعاعی، زایل شدن فشار اب منفذی تسریع میشود.
بندش بازیافتی خاک باعث افزایش مقاومت خاک بعد از کوبش میگردد.
2-3-2-1 قابلیت تراکم
خاکهای ریزدانه اشباع را به طور معمول به عنوان خاکهای تراکم ناپذیر طبقه بندی مینمایند زیرا وقتی این خاکها در معرض بارگذاریهای سریع قرار میگیرند، نفوذپذیری کم آنها مانع زهکشی سریع آبهای منفذی موجود در این خاکها میشود؛ این تخلیه و خرج آب شرط لازم و کافی برای نشست میباشد. (تئوری تحکیم که توسط ترزاقی بسط و گسترش یافت).
به هر صورت مشاهدات اولیه به طور شگفتانگیزی نشان داد که هر قدر هم طبیعت خاک قابل اصلاح شدن باشد، همیشه عملیات تراکم منجر به نشست سریع قابل ملاحظهای میگردد. این نتیجه که برای خاکهای دانهای قابل قبول بود نمیتوانست به وسیله تئوریهای مرسوم برای خاکهای غیر قابل نفوذ تشریح گردد. تحقیقات بعدی نشان داد که بیشتر خاکهای کواترنری دارای گاز به شکل حبابهای ریز هستند و مقدار این گاز بین یک درصد برای نامطلوبترین حالتها تا 4 درصد برای حالتهای مطلوب متغییر است. ضربهها یا ارتعاشات مکانیکی حالتهای تعادل این حبابهای ریز را به شکل کم و بیش غیر قابل برگشت تغییر میدهد [6].
2-3-2-2 روانگرایی
هنگامی که انرژی به شکل ضربههای مکرر به خاک وارد میشود، گاز موجود در خاک به تدریج متراکم میشود. وقتی درصد حجمی گاز موجود در خاک به صفر میرسد، خاک به شکل یک ماده تراکم ناپذیر عمل میکند و در این مرحله روانگرایی خاک اتفاق میافتد. مقدار انرژی لازم برای رسیدن به این مرحله انرژی اشباع نامیده میشود [6].
روانگرایی در نهشتههای طبیعی غالباً به تدریج رخ میدهد. بیشتر نهشتههای طبیعی بطور لایه لایه بر روی هم قرار گرفته و رسوبات لایی یا ماسه ای قبل از رسوبات رسی روان میشوند. این مطلب دارای اهمیت است که اگر روانگرایی در این لایهها یا قسمتهایی از آن اتفاق بیفتد ولی از روانگرایی توده رس جلوگیری به عمل آید، از شکل گیری مجدد توده خاک ممانعت میشود [6].