SUPERVISOR
Hossein Khademi Moughari,Mohammad Reza Mosaddeghi,Abbas Hemmat
حسین خادمی موغاری (استاد مشاور) محمدرضا مصدقی (استاد مشاور) عباس همت (استاد راهنما)
STUDENT
Rasoul Hasan zahraei
رسول حسن زهرائی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Effects of Water Content, Lime and Wetting and Drying on Soil Compressibility and Shear Strength
Intrinsic properties such as texture and dynamic properties such as water content, wetting and drying cycles and external loads are recognized as being important factors influencing soil compactibility. Soil compaction in fields usually occurs due to flood irrigations during intensive crop production as well as mechanized harvesting operations by using heavy machinery in wet soils. Soil strength is measured in terms of the maximum stress that can be applied before the occurrence of the substantial increase in soil compression. Estimating the soil stress at its compaction threshold (i.e. precompaction stress, ? pc ) and the soil sensitivity to excess compaction (compression index, C c ) when the applied stresses due to the field traffic exceed the ? pc , can be useful to prevent soil compaction. The soil strength is termed precompaction stress (? pc ) at which the soil deformation changes from reversible behavior (elastic) to the irreversible behavior (plastic). On the other hand, due to soil is not an elastic and resilient matter, at each loading and unloading cycles a permanent deformation occurred in soil. By limiting the load below ? pc , the risk of additional soil compaction can be minimized. One of the natural characteristics of the soils in arid and semi-arid regions is having high calcium carbonate (lime) content. There is little information on the effect of lime and soil hardening under wetting and drying cycles on compaction strength of calcareous soils in Iran. Therefore, the objectives of this research were to study the effects of lime percentage under wetting and drying cycles on soil load bearing capacity (precompaction stress) and shear strength and to determine the relationship between these two soil strength values. In this research, a silty loam soil with very low carbonate content was used. Then, soils with different carbonate percentages (10, 30 and 50) were prepared. In order to the soils to regain their natural structure; first the soils were kept at field capacity for two months and then kept in laboratory conditions for ten months. Then, each pot was sliced through into two parts. The top part was used for samples without wetting and drying cycles; and the bottom part was used for samples with wetting and drying cycles. Then, the soil was wetted to desirable water content (0.7PL, 0.9PL and 1.1PL). In samples without wetting and drying process and without any preload, the half-pot was used directly for loading; whereas for the samples with preload (200 kPa), the soil from the half-pot was transferred to metal cylinder with minimum disturbance. Stress-sinkage and stress-strain curves were drawn for plate sinkage test (PST) and confined compression test (CCT), respectively. For each curve, three different methods were considered to determine the ? pc . These methods were: (1) Casagrande method, (2) maximum curvature and (3) intersection of virgin compression line (VCL) and x-axis. Soil shear strength parameters (cohesion, c and Internal friction angle, ? ) were measured by using a direct shear box test. The effects of carbonate, wetting and drying cycles, water content and preload on precompaction stress and shear strength were studied using a factorial experiment in a randomized complete block design with three replications. Results showed that in PST, the maximum and minimum values of ? pc were obtained with Casagrande and maximum curvature methods, respectively. In CCT, the maximum values of ? pc were obtained with Casagrande method and the minimum values of ? pc were obtained with intersection of VCL and x-axis. By increasing the carbonate, water content, preload and with 6 cycles of wetting and drying, the ? pc increased. Also ? pc in both PST and CCT increased by increasing the carbonate content, preload and with wetting and drying proce and by decreasing the water content. Increasing the carbonate content at low (10%) and high (50%) levels led to increasing and decreasing C C , respectively. Also, wetting and drying process and preload led to decreasing and increasing, respectively, sensitivity to soil compaction. Whereas the increase in water content resulted in an increase in soil sensitivity to compaction. The soil cohesion was decreased with an increase in the carbonate content . it was increased with increase in water content or preload and with inducing wetting and drying. With Increasing the carbonate content the angle of internal friction was increased and this parameter was decreased with increasing the water content, preload or inducing wetting and drying. In both PST and CCT, the correlation between precompaction stress and shear strength was high significant.
در طبیعت خاک ها در اثر وزن خود، بارهای خارجی و نیروهای درونی ناشی از فرایندهای تر و خشک شدن دچار کاهش حجم و تراکم می شوند. در هر زمان، خاک دارای یک مقاومت به تراکم مشخصی می باشد که منتج از بافت و ساختمان خاک، فرایندهای داخلی همچون سیمانی شدن و فرایندهای خارجی همچون تردد تراکتور روی سطح خاک می باشد. ویژگی های ذاتی خاک همچون بافت و ویژگی های گذرا مانند رطوبت، فرایندهای تر و خشک شدن و بار خارجی به عنوان عوامل موثر در ایجاد تراکم خاک می باشند. تراکم خاک معمولاً به علت آبیاری غرقابی مکرر و نیز عملیات برداشت مکانیزه با ماشین های سنگین به ویژه در خاک تر آشکار است. تنش در آستانه تراکم (تنش پیش تراکمی، pc ?) خاک معمولاً به تنش بیشینه ای که می توان به خاک اعمال نمود، قبل از این که تغییرشکل (یا نشست) قابل ملاحظه ای در خاک رخ دهد، گفته می شود. به عبارت دیگر، به تنشی که در آن تغییرشکل خاک از حالت برگشت پذیر (الاستیک) به حالت برگشت ناپذیر (پلاستیک یا خمیری) تغییر کند، تنش پیش تراکمی ( pc ?) گفته می شود. چون خاک یک جسم الاستیک و ارتجاعی نیست، در اثر هر بارگذاری-باربرداری مقداری تغییرشکل یا کرنش ماندگار در خاک اتفاق می افتد. با محدودکردن بار اعمالی بر خاک به کمتر از pc ?، از خطر ایجاد تراکم اضافی در خاک کاسته می شود. هدف اصلی از ارزیابی pc ? یک خاک، تعیین ظرفیت باربری خاک در برابر تنش های وارد برآن بدون آنکه تغییرشکل قابل ملاحظه ای در آن رخ دهد، می باشد. این امر منجر به مدیریت پایدار خاک می گردد. هنگامی که تنش واردشده به خاک بیشتر از تنش پیش تراکمی شود، حساسیت خاک به تراکم را با شاخص فشردگی (C C ) بیان می نمایند. تخمین تنش پیش تراکمی، ( pc ?) و شاخص فشردگی (C C ) خاک می تواند در جلوگیری از تراکم خاک مفید باشد. یکی از ویژگی های خاک های مناطق خشک و نیمه خشک، وجود درصد زیاد کربنات کلسیم (آهک) در خاک می باشد. اطلاعات ناچیزی در خصوص تاثیر آهک و سخت شدگی تحت شرایط چرخه های تر و خشک شدن بر تنش پیش تراکمی این خاک ها گزارش شده است. بنابراین، هدف از این پژوهش، بررسی اثر مقدار آهک در شرایط چرخه های تر و خشک شدن خاک بر pc ? و مقاومت برشی خاک و یافتن ارتباط بین این دو مقاومت می باشد. در این پژوهش، از یک خاک لوم سیلتی با محتوای بسیار ناچیز آهک استفاده شد. سپس نمونه های خاک با مقادیر مختلف درصد وزنی آهک (10، 30 و 50 درصد) تهیه شد. برای دست یابی مجدد خاک به ساختار طبیعی خود، ابتدا خاک درون گلدان به مدت 2 ماه در شرایط رطوبتی گنجایش مزرعه ای و سپس 10 ماه در شرایط آزمایشگاه نگه داشته شد. سپس هر گلدان توسط کمان اره به آرامی از وسط به دوقسمت تقسیم شد. قسمت بالایی برای آزمایش های بدون چرخه های تر و خشک شدن و قسمت پایینی برای آزمایش های با چرخه های تر و خشک شدن استفاده شد. سپس رطوبت هر نیم گلدان به رطوبت موردنظر (PL7/0، PL9/0 و PL1/1) رسانده شد. در حالت بدون چرخه های تر و خشک شدن و بدون پیش بار، نیم گلدان مستقیماً استفاده شد و درصورت وجود پیش بار (در این حالت، یک بار 200 کیلوپاسکالی به نمونه ها اعمال شد)، خاک آن به آرامی و با دقت و با حداقل به هم خوردگی درون استوانه فلزی انتقال داده شد، ولی در حالت با چرخه های تر و خشک شدن، در هر دو صورت وجود یا عدم وجود پیش بار، نیم گلدان مستقیما استفاده شد. برای استخراج ویژگی های فشردگی خاک از منحنی های لگاریتم تنش-نشست در آزمایش PST و لگاریتم تنش-کرنش در آزمایش CCT و از روش های کاساگراند، بیشینه انحنا و تقاطع خط فشردگی بکر با محور x استفاده شد. پارامترهای مقاومت برشی خاک (چسبندگی، c و زاویه اصطکاک داخلی، ?) توسط آزمایش برش مستقیم تعیین شدند. اثر آهک، تر و خشک شدن، رطوبت و پیش بار بر تنش پیش تراکمی و مقاومت برشی خاک با آزمایش فاکتوریل و در قالب طرح بلوک کامل تصادفی و با سه تکرار بررسی شد. نتایج نشان داد در آزمایش های نشست صفحه ای، تنش پیش تراکمی حاصل از روش های کاساگراند و انحنای بیشینه به ترتیب بیشترین و کمترین مقدار را داشت و در آزمایش های فشردگی محصور، تنش پیش تراکمی به روش کاساگراند دارای بیشترین مقدار و روش تقاطع خط فشردگی بکر با محور x دارای کمترین مقدار بود. با افزایش مقدار آهک، رطوبت، پیش بار و 6 چرخه تر و خشک شدن، تراکم پذیری خاک بالا رفت. همچنین pc ? در هردو آزمایش Tو CCT با افزایش آهک، افزایش پیش بار، فرایند تر و خشک شدن وکاهش رطوبت، افزایش یافت. افزایش آهک، فرایند تر و خشک شدن و پیش بار موجب کاهش، و افزایش رطوبت خاک سبب افزایش حساسیت خاک به تراکم گردید. افزایش آهک در خاک سبب کاهش چسبندگی خاک شد. همچنین این پارامتر با فرایند تر و خشک شدن، افزایش رطوبت و پیش بار افزایش یافت. افزایش آهک منجر به افزایش و فرایند تر و خشک شدن، افزایش رطوبت و افزایش پیش بار به خاک موجب کاهش زاویه اصطکاک داخلی گردید. مقاومت برشی خاک برآوردشده در نقطه تنش پیش تراکمی، با افزایش میزان آهک خاک افزایش یافت و در هر دو آزمایش PST و CCT، همبستگی قوی و معنی داری بین تنش پیش تراکمی و مقاومت برشی خاک وجود داشت.