بخشی از مقاله
بررسي آزمايشگاهي و عددي اثر تراکم روي افزايش کارآيي پي ماشين آلات واقع بر ماسه
خلاصه
در پي ماشين آلات ، بار ديناميکي بصورت تکراري طولاني مدت و با دامنه کم وارد ميشود. بنابراين مهم است که رفتار خاک الاستيک بوده و يا بتوان از نمو افزايشي تغييرشکل آن صرفنظر کرد. براي کليه روشهاي معمول طراحي و تحليل پي ها رفتار الاستيک خطي در نظر گرفته ميشود. يکي از تنش هـاي توليد شده در زير بلوک در هر کدام از اين حالات بعلت بارهاي ديناميکي فشار يکنواخـت مـي باشـد. ضـريب فـشار يکنواخـت خـاک (Cu) مهمتـرين پارامتر مورد نياز در طراحي پي ماشين آلات مي باشد. در اين مقاله نتايج آزمايشگاهي و تحليل عددي بارگذاري سيکلي افزايشي روي پـي مربعـي واقـع بر ماسه مسلح مورد بحث قرار مي گيرد. بارهاي سيکلي با شدت هاي مختلف بر پي وارد شده و نشست الاستيک پي در هر تنش بدست مي آيد که براي محاسبه ضريب فشار يکنواخت ماسه مورد استفاده قرار مي گيرد. متغير آزمايش شامل دانسيته نسبي خاک (٤٥% ، ٦٣% و ٧٨%) مي باشد. نتـايج نـشان مـي - دهد که با افزايش تعداد لايه هاي مسلح کننده ، مقدار (Cu) افزايش خواهد يافت .
کلمات کليدي : تست هاي آزمايشگاهي –تحليل عددي - بارگذاري سيکلي افزايشي – خاک مسلح .
١. مقدمه
در پي ماشين آلات ، بار ديناميکي بصورت تکراري طولاني مدت و با دامنه کم وارد ميشود. بنابراين مهم است که رفتار خاک الاستيک بوده و يا بتوان از نمو افزايشي تغييرشکل آن صرفنظر کرد. براي کليه روشهاي معمول طراحي و تحليل پي ها رفتار الاستيک خطي در نظر گرفته ميشود. يکي از تنش هاي توليد شده در زير بلوک در هر کدام از اين حالات بعلت بارهاي ديناميکي فشار يکنواخـت مـي باشـد. ضـريب فـشار يکنواخـت خـاک (Cu) مهمتـرين پارامتر مورد نياز در طراحي پي ماشين آلات مي باشد. تاکنون مطالعات مختلفي جهت تعيين عوامل موثر روي افزايش کـارآيي پـي ماشـين آلات انجـام گرفته است در اين مقاله نتايج آزمايشگاهي و تحليل عددي بارگذاري سيکلي افزايشي روي پي مربعي واقع بر ماسه مسلح مورد بحث قرار مي گيرد.
٢. دستگاه آزمايش
دستگاه آزمايش شامل قسمتهاي مختلف : تانک آزمايش ، قاب اصلي ، سيستم بارگذاري ، دستگاه بارش ، سيستم قرائت و ثبت داده ها، دستگاه تامين فشار و حسگرهاي بار و جابجايي مي باشد. شماي کلي دستگاه آزمايش در شکل (١) نشان داده شده است .
آزمايش مورد نظر بصورت ٣ بعدي مدنظر بوده و براي اين منظور با در نظر گـرفتن نتـايج تحقيقـات گذشـته روي فاصـله جـداره هـاي کنـاري و تحتاني تانک از مقطع پي و طول آزاد بهينه ژئوسنتتيک و عمق تاثير بستر صـلب روي رفتـار خـاک ابعـاد تانـک انتخـاب گرديـد. جهـت اجـراي برنامـۀ آزمايش ها، مطابق شکل (٢) داراي ابعاد ٦٥×٦٥×٦٨ سانتيمتر (طول و عرض ٦٥ سانتيمتر و ارتفاع ٦٨ سانتيمتر) مي باشد. اين تانک شـامل يـک اسـکلت فولادي با سه وجه جانبي از جنس MDF سيار با ضخامت کلي ٣ سانتيمتر و يک وجه شيشه اي از جنس پلکسي گـلاس بـه ضـخامت يـک سـانتيمتر بـه منظور مشاهده و عکسبرداري رفتار و تغييرشکلهاي بوجود آمده درماسه و نظارت بر درستي پر شدن تانک از خاک مي باشد.
٣. مشخصات مصالح ، نحوه آماده سازي، روش انجام آزمايش و آزمايش هاي انجام شده
٣-١- خصوصيات فيزيکي و مکانيکي خاک
خاک مورد آزمايش ، خاک دانه اي (ماسه سيليسي) با دانه بندي يکنواخت مي باشد. اندازه ذرات ماسه مورد استفاده بين ٠.٢٥ تا ٠.٨ ميليمتر بـوده و پارامترهاي مختلف ماسه طبق آزمايشات انجام گرفته در آزمايشگاه مکانيک خاک دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي مطابق جـدول (١) اسـت .
شکل (٣) توزيع اندازه ذرات مورد استفاده را نشان مي دهد.
٣-٢- مشخصات فيزيکي و مکانيکي مسلح کننده
پس از بررسيهاي متعدد در زمينه شرکتهاي داخلي توليد کننده مسلح کننده خاک، ژئوگريد نوع CE١٣١ شرکت مشيران شبکه ، بعنـوان مـسلح کننده مناسب انتخاب گرديد که مشخصات آن در جدول (٢) ذکر شده است .
٣- آماده سازي خاک و انجام آزمايش
روش بارش براي آماده سازي ترانشه هاي ماسه اي در تانک آزمايش بکار برده شده است . ضخامت ترانشه خاک در تانک آزمـايش بـه ميـزان ٤٠ سانتي متر است که با انجام عمل بارش ماسه در دو لايه ٢٠ سانتيمتري ايجاد ميگردد. با توجه به تعداد لايه هاي مسلح کننـده در خـاک و فاصـله آنهـا بـه ميزان B%٣٥، در هنگام بارش مکان قرارگيري (عمق ) ژئوگريدها علامت گذاري شده و با رسيدن تراز خاک به علائم مذکور ژئوگريد ها در محل مورد نظر نصب ميشوند. پس از پر کردن تانک و صاف کردن سطح ماسه ، صفحه بارگذاري روي ترانشه قرار داده ميشود. حسگر هاي نيرو و تغييرمکـان کـه قبلا کاليبره شده اند روي صفحه بارگذاري مونتاژ ميشوند. جهت اعمال سيکل بارگذاري مورد نظر بر روي نمونه خاک بايد مدل بارگـذاري مطلـوب بـا توجه به سطح صفحه بارگذاري و دقت روي سرعت افزايش بار ( ١ کيلو پاسکال در ثانيه ) براي نرم افزار تعريف گردد. پس از آماده سازي کليه مراحل ، بارگذاري آغاز ميشود. نرم افزار مربوطه دستور اعمال مدل بارگذاري سيکلي ارائه شده را صادر ميکند و سيستم مکـانيکي تعبيـه شـده آنـرا روي صـفحه بارگذاري اعمال مينمايد. نتايج حاصله که توسط حسگرهاي نيرو و تغييرمکان دريافت ميگردند توسط دستگاه قرائت داده ها دريافت و به کامپيوتر منتقل ميگردند. داده هاي رسيده به کامپيوتر بصورت دياگرام هاي نيرو - زمان و تغييرمکان - زمان مانيتور مي شوند.
٣-٤- آزمايش هاي انجام گرفته
در اين خصوص انجام تعداد ٨٨ آزماي در شرايط مختلف مورد نظر است . کـه از ايـن تعـداد آزمـايش ، ٢٠ آزمـايش مقـدماتي هـت بـرآورد ظرفيت باربري صفحه بارگذاري و عوامل مربوط ، ٢٠ آزم يش بمنظور اطمينان از تکرار پذيري و کنترل صحت نتايج ، ٢٤ آزمايش مقدماتي اسـتاتيکي و ٢٤ آزمايش اصلي سيکلي انجام گرفته است .
٤- نتايج آزمايشها و تحليل نتايج
٤-١- تکرارپذيري نتايج
تعداد ٢٠ آزمايش جهت کنترل صحت آزمايشها و تکرارپذيري آنها صورت گرفته است ، حداکثر خطا در منحنـي هـاي تـنش - نشـست کـ در خاک مورد آزمايش ٩.١٢ درصد ميباشد.
٤-٢- آزمايشات استاتيکي
براي پيش بيني مقدار حداکثر بار سيکلي وارده و تبديل آن به ٥ نمو تنش ، آزمايشات استاتيکي در حالت هاي مختلف انجام شده است . اين آزمايشات بـا مقادير چگالي نسبي خاک ٤٥% ، ٦٣% و ٧٨% و با بعد پي ١٠ سانتيمتري روي خاک با يک لايه مسلح کننده انجام شده است .
٤-٣- آزمايشات سيکلي
براي محاسبه ضريب فشار يکنواخت الاستيک خاک نياز است که با طرح آزمايشات سيکلي در محدوده طبيعـي رفتـار خـاک و محاسـبه مقـدار نشـست الاستيک در هر سيکل اقدام گردد بدين ترتيب در اين مقاله اثر تغييرات دانسيته نسبي خاک (٤٥%، ٦٣% و ٧٨%) مورد بررسي و مطالعه قرار گرفته اسـت .
آزمايشات ذکر شده روي پي با ابعاد مختلف (٥×٥، ٧,٥×٧,٥ و ١٠×١٠ سانتيمتر مربع ) انجام شده است .
٤-٣-١- اثر تغييرات دانسيته نسبي خاک روي رفتار تنش - نشست پي شکل هاي (٦) ، (٧) و (٨) نشان دهنده اثر تغييرات دانسيته نسبي خاک بر رفتار تنش - نشست پي ميباشند. نتايج نشان ميدهند که صرف نظر از ابعاد پـي و تعداد لايه هاي تسليح با افزايش دانسيته نسبي خاک، نشست پي (صفحه بارگذاري) حتي تحت اثر ميزان تنش سيکلي بالاتر کاهش مي يابد. اين امر بدان علت است که با افزايش دانسيته خاک، تخلخل و فضاي خالي بين دانه کاهش يافته و سبب محدود شدن ميزان نشست خاک مي گردد.
٤-٣-٢- تاثير تغييرات دانسيته نسبي خاک بر روي فشار يکنواخت
تاثير تغييرات دانسيته نسبي روي ضريب فشار يکنواخت خاک با ترسيم نمودار تنش - نشست الاستيک در شکل هاي (٩) تا (١ ) ارائه شده اسـت . شـيب خط نمودار تغييرات تنش - نشست الاستيک ، مبين ضريب فشار يکنواخت الاستيک خاک خواهد بود. نتايج نشان مي دهد که افزايش دانسيته نسبي خاک صرف نظر از ابعاد پي و تعداد لايه هاي تسليح ، سبب افزايش شيب خط تنش - نشست الاستيک يا به عبارتي ضريب فشار يکنواخت الاستيک خاک مي - گردد.
٤. تحليل عددي
جهت تحليل عددي، از نرم افزار (٢١.Ver)FLACD ٣ استفاده شده است . مدل مورد استفاده در نرم افزار، مدل کرنش نرم شونده -سخت شونده مـي باشد. همانطور که در اشکال (١٢) و (١٣) نشان داده شده است ، مش بندي مدل با المانهاي مکعبي هشت گره اي انجام گرفته است . همچنين نشست متمرکز در زير پي و تورم خاک در اطراف پي به خوبي نمايش داده شده
