بررسی آزمایشگاهی و مدل‌سازی تنش برشی بحرانی برای فرسایش سطحی بستر چسبنده

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز

2 استاد دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران اهواز

3 دانشگاه شهید چمران اهواز، ایران

چکیده

برآورد تنش برشی بحرانی برای فرسایش بستر چسبنده با درجه اطمینان زیاد و به صورت تابعی از میزان تحکیم یافتگی و عمق رسوبات بستر از جمله موارد عمده‌ای در حوزه رسوبات چسبنده می‌باشد که تاکنون روش معینی برای آن ارائه نشده است. در این تحقیق، با این فرض که مقاومت برشی واقعی بستر در نزدیکی سطح مشترک بستر و جریان می‌تواند جایگزین مناسبی برای تنش برشی بحرانی برای فرسایش بستر چسبنده گلی گردد، با روابط مرکلباخ، این متغیر با استفاده از متغیرهای چسبندگی، زاویه اصطکاک داخلی، ضریب تنش جانبی، ضریب خزش، بعد فرکتالی، ضریب تنش موثر و به صورت تابعی از غلظت حجمی بستر تعریف شده است. این متغیرها را می‌توان به دو دسته متغیرهای مکانیک خاک و متغیرهای مربوط به تحکیم طبقه‌بندی نمود. متغیرهای مکانیک خاک به سادگی قابل سنجش می‌باشند ولی متغیرهای مرتبط با تحکیم خاک، شامل متغیر مربوط به تنش موثر و متغیر بعد فرکتالی، به آسانی قابل سنجش نیستند. در این تحقیق روشی جدید برای سنجش این متغیرها برای رسوبات سد مخزنی سفید رود پیشنهاد شده است. نتایج نشان می‌دهند که بعد فرکتالی همواره متناظر با مقداری مشخص از ضریب تنش موثر می‌باشد و نباید این دو را به طور جداگانه برآورد نمود. بعد فرکتالی با حداکثر فراوانی را می‌توان به عنوان بعد فرکتالی برگزیده و مقدار ضریب تنش موثر نماینده را نیز می‌توان معادل مقدار متوسط آن از میان زوج‌هایی با مقدار بعد فرکتالی دانست. به طور کلی، تنش برشی بحرانی برای فرسایش دارای حساسیت زیادی نسبت به متغیر بعد فرکتالی می باشد و نشان داده شده که هر چه بعد فرکتالی کمتر باشد، تغییرات تنش برشی بحرانی برای فرسایش نسبت به تغییرات غلظت حجمی کمتر خواهد بود

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental study and modeling of critical shear stress for cohesive sediment erosion

نویسندگان [English]

  • Hesam Fooladfar 1
  • Manoochehr Fathimoghadam 2
  • Mahmood Shafai Bajestan 3
1 PhD student of faculty of Water Science Engineering of Ahvaz Chamran University
2 Professor of faculty of Water Science Engineering of Ahvaz Chamran University
چکیده [English]

Yet, the estimation of critical shear stress for cohesive sediment erosion as a function of degree of consolidation and elevation of exposed layer of the bed sediment is under consideration around the world. Sediment shear strength in the vicinity of the interface can be a good delegate of critical shear stress. Because one can relate this parameter to some parameters such as volumetric concentration and effective stress which are function of time and space and can be modeled analytically. Moreover one can measure the coefficients such as fractal Dimension, effective stress coefficient, Creep coefficient, lateral stress coefficient, internal friction angle and cohesion coefficient, using experimental techniques. Some of these coefficients are used to be measured by soil mechanical laboratorial experiment. However for measurinf of fractal dimension and effective stress coefficient, there is not any documented method. In this paper, an experimental method has been developed using a settling cylinder for bed sediments of Sefidrud Dam reservoir. Experimental results have shown that every fractal dimension has always been jointed with specific effective stress coefficient. Moreover the best value for fractal dimension is the mode of its frequency distribution. Therefore the best value for effective stress coefficient is its  average between the pairs with the same selected fractal Dimension. In General, critical shear stress is very sensitive to fractal dimension and it has been shown that the less fractal dimension, the less rate of critical shear stress with respect to volumetric concentration.

کلیدواژه‌ها [English]

  • cohesive sediment bed
  • surface erosion
  • critical shear stress
  • bed shear strength
  • effective stress
  • Fractal dimension
  • settling cylinder
  • sefidrud dam reservoir

 

1- صمدی بروجنی، ح.، م. شفاعی بجستان و م. فتحی مقدم. 1386. بررسی فرآیند ته نشینی و تحکیم رسوبات چسبنده مخزن سد دز. مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، شماره چهلم (الف).

2- ZHU  ongHui, Lu JinYou, LIAO HongZhi, Wang JiaSheng, FAN Beilin & YAO ShiMing. 2008. Research on cohesive sediment erosion by flow : An overview, Science in China Series E: Technological Sciences.

3-Kamphuis, J.W., K.R. Hall. 1983. Cohesive material erosion by unidirectional current. J Hydr  Eng, ASCE, 109(1): 49―61.

4- Sandford, L.P. and J.P.Y. Maa. 2001. A unified erosion formulation for fine sediments. Mar Geol,
179: 9―23.

5- Merkelbach, L. 1996. Consolidation theory and rheology of mud. A literature survey. Techn. Report no.
9-96, Delft University of Technology.

6- Merkelbach, L. 2000. Consolidation and strength evolution of soft mud layers. Communications on Hydraulic and Geotechnical Engineering report 00-2, Delft University of Technology.

7- Merkelbach, L. 2001. Note on parametrisation of Gibson's consolidation equation. Internal memo WL/Delft Hydraulics.

8- Gibson, R.E., R.L. Schiffman and K.W. Cargill. 1981. The theory of one- dimensional saturated clays. 11. Finite nonlinear consolidation of thick homogeneous layers. Can. Geotech. J., 18, 280-293.