بخشی از مقاله
ارزیابی ظرفیت باربری پیهای رینگی واقع بر خاکهای لایهای با استفاده ازتحلیل عددی
خلاصه
در این تحقیق به بررسی ظرفیت باربری پیهای رینگی (حلقوی) واقع بر خاکهای لایهای با استفاده از روش تفاضل محدود، پرداخته شده است. به ازای نسبت شعاع داخلی به خارجی پی رینگی (ri/ro) در حالت بهینه که بیشترین مقدارظرفیت باربری را به دست دهد؛ و همچنین از طریق بیبعد سازی پارامترهای دخیل در مساله، نمودارهای کاربردی جهت سهولت درطراحی بهدستآمده است. به منظور مدلسازی پی رینگی مورد نظر برروی خاک دو لایه متشکل ماسه و رس، از نرم افزار تفاضل محدود FLAC.2D استفاده شده است. از نتایج به دست آمده نشان میدهند که هنگامی که مقاومت لایه رسی بالا بوده، و لایه ماسه ای فوقانی آن کم ضخامت باشد، لایه رسی کنترل کننده ظرفیت باربری خواهد بود. همچنین با افزایش ضخامت و مقاومت لایه رسی، ظرفیت باربری نیز افزایش خواهد یافت که بیشینهی این افزایش در مقدار D/B=0,5 رخ میدهد.
کلمات کلیدی: پی رینگی، ظرفیت باربری، خاکهای لایهای، مطالعه پارامتریک، تحلیلعددی
.1 مقدمه
استفاده از پیهای رینگی به علت دارا بودن مزایایی از قبیل اشغال فضای کم، حجم اندک عملیات ساخت، بتن ریزی و بازدهی مناسب، در گستره وسیعی از سازهها نظیر پایه پل ها، ایستگاههای زیرزمینی، مخازن آب، مخازن نفت و غیره در حال افزایش میباشد. استفاده و بهره گیری کامل از ظرفیت باربری خاک و ایجاد شرایط کشش کم و یا حتی صفر در زیرفنداسیون از ویژگیهای بارز این نوع از شالودهها به حساب میآید. این در حالی است که هرچند پیش بینی ظرفیت باربری نهایی شالودههای رینگی به صورت تئوری، همواره به عنوان یک پیش نیاز در طراحی مطرح بوده است؛ ولی علیرغم مزایای به اثبات رسیده این نوع از پیهای سطحی، همچنان روند و رویه خاصی برای طراحی و تحلیل آنها تاکنون تهیه و تدوین نشده است. پیچیدگی و عدم شناخت صحیح از رفتار و عملکرد پیهای رینگی واقع بر خاکهای لایه ای موجب خواهد شد تا ضمن تحلیل و برآوردی غیرمهندسی از رفتار این نوع از شالودهها، امکان استفاده و بهکارگیری از تمامی ظرفیت آن ها فراهم نیاید. ایجاد هرگونه خرابی و گسیختگی در پیهای رینگی و به تبع آن در سازههای فوقانی ضمن صدمات و خسارات سازهای، از بعد انسانی و اجتماعی نیز حائز اهمیت است.
بهعنوان مثال، هرگونه ناپایداری سازهای در مخازن نفت به علت از دست رفتن ظرفیت باربری پی رینگـی آنهـا، ضـمن از دسـت رفـتن منـابع ملـی نفـت هـر کشور، صدمات جانی و زیست محیطی جبران ناپذیری را به دنبال خواهد داشت. لذا شناخت رفتار واقعی از جملـه محاسـبات ظرفیـت بـاربری و نشسـت آنهـا می تواند در برآورد صحیح مقادیر باربری و نشست پذیری این نوع از پی ها کمک شایانی نماید. از جمله مطالعات انجام شده در مورد پیهای رینگی میتـوان به تحقیقات هاتف و بوشهریان [3] پرداخت که با استفاده از روش اجزای محـدود، تغییـر شـکل هـای ناشـی از بارگـذاری را در شـالودههـای رینگـی بررسـی نمودند. ایشان آزمایش هایی را نیـز بـرای محاسـبه ظرفیـت بـاربری شـالودههـای مـدور و رینگـی روی بسـتری از ماسـه انجـام داده و بـا اسـتفاده از مـدلهـای آزمایشگاهی و عددی، مقدار n یعنی نسبت شعاع داخلی به خارجی، (n= r i/ro) بهینه را برای شالودههای رینگی، 0/4 توصیه نمودند.
گاوش و کومار [4] ضریب ظرفیت باربری N را با استفاده از روش خطوط مشخصه برای دو حالت پی های رینگی صاف و زبر برآورد نمودند. ژائو و وانگ [5] با مدل سازی یک پی رینگی روی خاکی ماسهای، ضریب ظرفیت باربری N' را با استفاده از نرم افزار تفاضل محدود FLAC.2D در دو حالت زبر و صاف محاسبه نمودند. لامان و همکارانش [6] با استفاده از نرم افزار اجزای محدود PLAXIS به مدل سازی یک پی رینگی پرداختند وچنین نتیجه گرفتند که یک شالوده رینگی با نسبت شعاع داخلی به شعاع خارجی بهینه، عملکردی مشابه با یک شالوده مدور با همان قطر خارجی خواهد داشت، که این مساله میتواند یک راه حل اقتصادی در کاربردهای عملی به حساب آید. اسماعیل [2]، رفتار و عملکرد شالودههای رینگی واقع بر ماسه متراکم سیمانته شده را با استفاده از آزمایش صفحه بارگذاری (PLT) مورد بررسی قرار داد و به دنبال آن، منحنیهای بار- نشست و نیز ظرفیت باربری نهایی صفحات صلب را با صفحات رینگی و حلقوی مقایسه نمود. وی دریافت که ظرفیت باربری نهایی صفحات رینگی نزدیک به صفحات صلب بوده و پیشنهاد نمود که شالودههای رینگی را میتوان با نسبتهای مختلف شعاع داخلی به خارجی (ri/re) تاحدود 75 مورد استفاده قرار داد. اهری و همکارانش [7] با استفاده از مدلسازی پی رینگی درآزمایشگاه به این نتیجه رسیدند که به ازای نسبت قطر داخلی به خارجی حلقه، برابر با 0/38، مقدار ظرفیت باربری پی رینگی واقع بر خاک ماسه بادی، حداکثر مقدار خود را خواهد داشت. رضوی و هاتف [8] دریافتند که مقدار n برای دستیابی به حداکثر ظرفیت باربری پی رینگی واقع بر روی ماسه، مقداری واحد نبوده و در محدوده 0/2 تا 0/4 قرار خواهد گرفت. بن مبارک و همکاران [9] با استفاده از نرم افزار تفاضل محدود FLAC به محاسبه ضریب ظرفیت باربری N' برای پیهای رینگی صاف و زبر پرداخته و چنین نتیجه گرفتند که با افزایش نسبت شعاع داخلی به شعاع خارجی، مقدار این ضریب دچار افت چشمگیری خواهد شد. همچنین بیان نمودند که به ازای مقادیر بالای زاویه اصطکاک داخلی، و در حالت رفتار غیر وابسته خاک، میزان زاویه اتساع تاثیرات قابل توجهی را بر روی ضریب ظرفیت باربری N' دارد. با مرور مطالعات پیشین مشاهده میشود که تمامی تحقیقات انجام شده معطوف به خاک های تک لایه و همگن بوده است. لذا با توجه به طبیعت خاک و لایهای بودن آن، در این تحقیق به بررسی رفتار و عملکرد پیهای رینگی واقع بر لایههای خاک متشکل از دو لایه ماسه و رس پرداخته شده است. پی رینگی مورد نظر در حالت زبر در نظر گرفته شده است. در ادامه در قالب مطالعات پارامتریک با استفاده از روش تفاضل و به کمک نرم افزار دو بعدی FLAC بهصورت مدل تقارن محوری به بررسی نحوه تاثیرگذاری پارامترهای دخیل در مساله ظرفیت باربری پی های رینگی پرداخته شده است و سپس با بیبعد سازی نتایج حاصله، نمودارهای کاربردی جهت سهولت درطراحی ارائه شده است.
.2 روش مدل سازی پی رینگی
مدلسازی پی رینگی مورد نظر در این تحقیق به صورت دو بعدی و در حالت تقارن محوری انجام شده است (شکل .(1 در حالت تقارن محوری، میتوان از مختصات استوانه ای استفاده نمود. در چنین حالتی محور (x= 0/0) محور تقارن بوده، به گونهای که سوی مثبت محور X متناظر با مختصات شعاعی و سوی مثبت محور Y نشان دهنده مختصات محوری میباشد. در این مدل مقادیر شعاعهای داخلی و خارجی نسبت به محور تقارن سنجیده میشوند. به منظور دستیابی به بهینه ترین پاسخها، نسبت شعاع داخلی به شعاع خارجی شالوده رینگی در محاسبات و مدل سازی های انجام گرفته با توجه به نتایج حاصل از مرور ادبیات فنی پیشین نظیر مراجع 8]،[3، برابر با 0/4 در نظر گرفته شده است. پی رینگی مورد بررسی، دارای شعاع داخلی و خارجی به ترتیب برابر با 2 و 5 متر بوده و بر روی پروفیل دولایه ای از خاک، متشکل از ماسه و رس قرار گرفته است. ابعاد مدل عددی شامل یک شبکه مستطیلی به ابعاد 30) 30m×15m متر طول و 15 متر عمق، بر اساس توصیه مرجع ([5] مشتمل بر 7200 المان مربعی، می باشد. معیارگسیختگی در این مدل، معیار موهر- کولمب در نظر گرفته شده است. شرایط مرزی مدل عددی بهگونهای در نظر گرفته شده است که کف مدل در هر دو جهت مقید بوده و سمت چپ و راست مدل فقط در راستای X مقید شده است. به منظور انطباق هر چه بیشتر مدل با واقعیت پیهای رینگی، مدل سازی پی مذکور در دو حالت وجود عمق مدفون و بدون عمق مدفون صورت پذیرفته است. همچنین به منظور اعمال بارگذاری بر روی پی در حالت کنترلکرنش و اعمال بار به صورت بردارهای سرعت رو به پایین در گرههای المان های ناحیه زیر پی مورد نظر معرفی شده است (شکل .(2
شکل -1 هندسه مدل پی رینگی و مرزهای آن
مقادیر این بردارهای سرعت برابراست با -2/5×10-5 متر بر هر گام بارگذاری در نظر گرفته شده است. مقدار بردار سرعت طوری در نظر گرفته شده که از وارد آمدن یک شوک اولیه به سیستم جلوگیری نموده تا اثرات موقت اولیه ناشی از بار وارده را تعدیل نماید. بدین ترتیب در مدل عددی ساخته شده پس از اتمام بارگذاری میتوان مجموع نیروهای عکس العمل زیر ناحیه پی را به عنوان نیرویگسیختگی لحاظ نمود. همچنین با استفاده از مقید نمودن تغییر مکان های گره های المان های واقع در زیر پی میتوان شرایط زبری را در زیر پی رینگی شبیه سازی نمود.
شکل -2 بردارهای سرعت رو به پایین در گرههای المانهای ناحیه زیر پی رینگی
.3 اعتبارسنجی مدل عددی
به منظور صحه گذاری به نتایج این مطالعه پیش از انجام مطالعات پارامتریک به بررسی ظرفیت باربری پی رینگی حل شده توسط ژائو و وانگ [5]، واقع بر خاک یک لایه ماسهای همگن پرداخته شده است. ایشان به محاسبه ضریب ظرفیت باربری N برای یک پی رینگی به صورت دو بعدی و مبتنی بر مدلسازی متقارن محوری با شعاع خارجی3 متر و مقادیر شعاع داخلی با 0، 0/75، 1 و 1/5 متر، پرداختند. مشخصات ژئوتکنیکی مصالح ماسهای در نظر گرفته شده توسط آنها مطابق جدول 1 میباشد.
جدول -1 پارامترهای به کار رفته در مطالعه ژائو و وانگ [5]
در جدول 2 مقایسه نتایج به دست آمده از مدل سازی مجدد در حالت شالوده زبر با نتایج حاصل از مرجع [5] به همراه میزان درصد اختلاف (% ) در مقادیر محاسبه شده ارائه شده است. با بررسی نتایج میتوان دریافت که مقدار بیشینه اختلاف میان جواب های بهدست آمده 20 درصد بوده میتواند قابل قبول میباشد.
.4 متدولوژی انجام مطالعات پارامتریک
به منظور انجام مطالعات پارامتریک ازدودستهپارامتر بهنام پارامترهایثابت و متغیر به شرح ذیل استفاده شده است:
الف- پارامترهای ثابت: این دسته از پارامترها در روند مدل سازی بدون تغییر لحاظ شده و مطابق جدول 3 میباشند. یادآور میشود که تمامی مقادیر پارامترها حتی المکان منطبق با مقادیر لحاظ شده در مرجع [5] در نظر گرفته شده است.
ب- پارامترهای متغیر: این دسته از پارامترها شامل زاویه اصطکاک داخلی لایه ماسهای ( )، مقاومت چسبندگی زهکشی نشده لایه رسی (C) بر حسب کیلوپاسکال و ضخامت لایه ماسهای (D) بر حسب متر در نظر گرفته شدهاند. در جدول 4، C مقاومت چسبندگی زهکشی نشده لایه رسی، B اختلاف مقادیر شعاعهای داخلی و خارجی پی رینگی (B= ro-ri)، D ضخامت لایه ماسه فوقانی بر حسب متر، وزن مخصوص ماسه بر حسب کیلونیوتون بر متر مکعب و نیز مقدار زاویه اصطکاک داخلی لایه ماسه ای بر حسب درجه میباشند. به منظور استفاده کاربردی از نتایج بهدست آمده و ارائه نمودارهایی مستقل از واحدهای انتخابی، پارامترهای دخیل در مساله مطابق جدول 4 بعد شدهاند. در این محاسبات میزان B با فرض ri و ro به ترتیب برابر 2 و 5 متر، 3 متر در نظر گرفته شده است. در تمامی مطالعات پارامتریک انجام شده از دو حالت q/ B مساوی با صفر و یک استفاده شده است. q/ B مساوی صفر بیانگر حالتی است که پی در سطح واقع شده و مساوی با یک بودن آن، مدفون بودن پی رینگی را نشان میدهد.
