بررسي آزمايشگاهي و مدل‌سازي تنش برشي بحراني براي فرسايش سطحي بستر چسبنده

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

برآورد تنش برشي بحراني براي فرسايش بستر چسبنده با درجه اطمينان زياد و به صورت تابعي از ميزان تحكيم يافتگي و عمق رسوبات بستر از جمله موارد عمده‌اي در حوزه رسوبات چسبنده مي‌باشد كه تاكنون روش معيني براي آن ارايه نشده است. در اين تحقيق، با اين فرض كه مقاومت برشي واقعي بستر در نزديكي سطح مشترك بستر و جريان مي‌تواند جايگزين مناسبي براي تنش برشي بحراني براي فرسايش بستر چسبنده گلي گردد، با روابط مركلباخ، اين متغير با استفاده از متغيرهاي چسبندگي، زاويه اصطكاك داخلي، ضريب تنش جانبي، ضريب خزش، بعد فركتالي، ضريب تنش موثر و به صورت تابعي از غلظت حجمي بستر تعريف شده است. اين متغيرها را مي‌توان به دو دسته متغيرهاي مكانيك خاك و متغيرهاي مربوط به تحكيم طبقه‌بندي نمود. متغيرهاي مكانيك خاك به سادگي قابل سنجش مي‌باشند ولي متغيرهاي مرتبط با تحكيم خاك، شامل متغير مربوط به تنش موثر و متغير بعد فركتالي، به آساني قابل سنجش نيستند. در اين تحقيق روشي جديد براي سنجش اين متغيرها براي رسوبات سد مخزني سفيد رود پيشنهاد شده است. نتايج نشان مي‌دهند كه بعد فركتالي همواره متناظر با مقداري مشخص از ضريب تنش موثر مي‌باشد و نبايد اين دو را به طور جداگانه برآورد نمود. بعد فركتالي با حداكثر فراواني را مي‌توان به عنوان بعد فركتالي برگزيده و مقدار ضريب تنش موثر نماينده را نيز مي‌توان معادل مقدار متوسط آن از ميان زوج‌هايي با مقدار بعد فركتالي دانست. به طور كلي، تنش برشي بحراني براي فرسايش داراي حساسيت زيادي نسبت به متغير بعد فركتالي مي باشد و نشان داده شده كه هر چه بعد فركتالي كمتر باشد، تغييرات تنش برشي بحراني براي فرسايش نسبت به تغييرات غلظت حجمي كمتر خواهد بود.

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.