بخشی از مقاله
بررسي اثر تغيير در مشخصات و پارامترهاي خاک بر نشست گروه شمع در شرايط بروز روانگرايي در خاک تحت بار ديناميکي
چکيده
در خاک هاي ماسه اي شل اغلب به دليل مناسب نبودن شرايط باربري خاک از شمع و گروه شمع براي انتقال بار روسازه به خاک استفاده مي شود. از آنجايي که اين خاکها در حالت اشباع تحت بار ديناميکي مانند زلزله مستعد روانگرايي هستند، عملکرد گروه شمع در اين شرايط مهم است . از عواملي که ميتواند بر عملکرد گروه شمع از جمله مقدار نشست آن در شرايط بروز روانگرايي اثر بگذارد، شرايط و مشخصات خاک است که اين خود نيز طي روان شدن خاک ثابت نمي ماند. در اين مقاله نتايج حاصل از تحقيقي که براي بررسي اثر تغييرات در پارامترهاي خاک بر روند و مقدار نشست گروه شمع در خاک روانگرا شده ، با استفاده از مدلسازي هاي عددي سه بعدي و اختصاص مدل رفتاري فن ي به خاک براي مدل کردن روانگرايي آن و تحليل ديناميکي آنها تحت رکورد بار زلزله کوبه ژاپن ، ارائه شده است . نتايج نشان داد که تغيير در بعضي از پارامترهاي خاک مانند مدول الاستيسيته ، زاويه اصطکاک داخلي و پوکي خاک تاثير قابل توجهي داشتند و تغيير در بعضي از مشخصات خاک مانند چگالي خاک تاثير مستقيم نداشت .
واژه هاي کليدي : روانگرايي خاک، گروه شمع ، نشست ، مدل عددي، مدل رفتاري ف ن ي .
١- مقدمه
از شمع ها به عنوان اعضاي سازه اي، در صورت مناسب نبودن زمين براي استفاده از شالوده هاي سطحي استفاده ميشود. از جمله وقتي که لايه هاي فوقاني خاک خيلي ضعيف باشند به طوري که نتوانند بار سازه هاي فوقاني را تحمل کنند يا وقتي که لايه هاي فوقاني خاک داراي خاصيت تراکم پذيري بالا باشند و نشست هاي غيرمجاز رخ دهد، از آنها براي انتقال بار به لايه مقاوم تر خاک استفاده ميشود.
اگر لايه مقاوم خاک يا بستر سنگي در عمق مناسب قرار نداشته باشد شمع ها بار را به صورت تدريجي منتقل ميکند.
قسمت عمده اين انتقال بار از طريق اصطکاک بين جداره شمع و خاک اطراف صورت مي گيرد[١]. در خاکهاي ماسه اي شل بار معمولا به روش اخير توسط گروه شمع به خاک انتقال مي يابد و اغلب به علت هزينه و صعوبت اجرا شمع ها پس از تامين ظرفيت باربري کافي، تا رسيدن به بستر متراکم ادامه نمي يابند. از آنجايي که خاکهاي ماسه اي شل جز خاکهاي مستعد روانگرايي محسوب ميگردند، بايد عملکرد مناسب گروه شمع در اين شرايط نزي در طراحيها در نظر گرفته شود.
تحليل رفتار گروه شمع ، يک اندرکنش پيچيده ب ن ي خاک-شمع -روسازه است که از عوامل گوناگون مانند روش نصب شمع ها (کوبيدني يا حفاري، باجابجايي کم يا زياد)، روش حاکم انتقال بار روسازه به خاک (اصطکاکي و يا اتکايي)، مشخصات مصالح فونداسيون ، شکل هندسي سه بعدي گروه شمع ، نحوه انتقال بار از روسازه به کلاهک گروه شمع و سختي نسبي روسازه ، شمع ها و خاک تاثير ميپذيرد[٢].
1
به طور کلي اثر گروهي بودن شمع ها بر رفتار هر يک از شمع ها در خاک هاي روانگرا شده به دو صورت است . اثر اول به صورت اندرکنش متقابل ميان شمع هاي گروه شمع ميباشد. دوم اثر بر پارامترهاي کليدي خاک، مانند کنترل سختي خاک هاي روانگرا و يا کنترل توزيع فضايي تغييرمکان ها حين گسترش جانبي خاک است . به صورت کميت در آوردن اين عوامل بسيار مشکل است و اطلاعات تجربي در مورد اين اثرات بر شمع ها در خاک هاي روانگرا نيز خييل کم و غيرقطعي هستند و به علت پيچيده بودن پديده هاي مرتبط با روانگرايي پرسش ها و موارد ناشناخته زيادي وجود دارد تا بتوان موفق به طراحي فونداسيون هاي شمعي ايمن و اقتصادي شد[٣]. از اينرو بررسي عملکرد شمع ها در شرايط روانگرايي خاک اهميت دارد.
مطالعاتي صورت گرفته است که دسته اي از اين مطالعات به ارائه گزارش از آسيب ها[٤]، [٥] و يا به صورت جزيي تر مطالعه هاي موردي آسيب هاي واقعي [٦] پرداخته است . دسته ديگر به صورت انجام مدلسازيهاي فيزيکي [٦] و بالاخره انجام مدلسازيهاي عددي بوده است [٧]،[٨]،[٩]،[١٠] و در بيشتر تحقيقات به بررسي پديده گسترش جانبي پرداخته شده است .
برخي از کشورها نيز نتايج تحقيقات را به صورت توصيه هايي براي ساخت فونداسيون هاي واقع بر خاکهاي روانگرا ارائه کرده اند[١١]،[١٢]،[١٣].
در اين تحقيق از مدلسازي عددي سه بعدي در نرم افزار FLACD١٣ که به روش تفاضل محدود است ، استفاده شده است [١٤]. مشخصات گروه شمع در تمام مدل ها يکسان در نظر گرفته شده است و مشخصات خاک بسته به مورد بررسي ، تغيير ميکند. متغيرهايي در نظر گرفته شده اند شامل چگالي خاک، زاويه اصطکاک داخلي، مدول الاستيسيته ، خاک پوکي و تراز آب زيرزميني است .
٢- مشخصات مدلسازي
در مدلسازيهاي انجام شده از يک گروه شمع بتني ٦ تايي (٢×٣) واقع در يک لايه خاک غير چسبنده از ماسه شل
(٠=C و ١٠=(٦٠)N١) استفاده شد. براي از بين بردن تاثير لايه بندي خاک در نتايج حاصل از تغيير در مشخصات خاک، مدلسازيها براي شرايطي که شمع ها در خاک يک لايه اي به ضخامت m٢٠ قرار دارند بررسي شدند.
سطح مقطع هر شمع گروه مربع شکل و به ابعاد m٠٥٠ است . طول کلي شمع ها m١٠٣٠ ميباشد که m١٠٠٠ آن مدفون و ٠/٣٠ متر آن آزاد در نظر گرفته شد تا از اندرکنش بين کلاهک شمع و خاک کاملا جلوگيري شود و بارها فقط از طريق شمع ها به خاک منتقل شود. فاصله مرکز به مرکز شمع ها سه برابر عرض آنها (m١٥٠) که فاصله معمول در طراحي براي گروه شمع است ، انتخاب شد. در نتيجه سطح بارگيري هر شمع از کلاهک m١٥٠٢ ×١/٥٠ و سطح کلاهک گروه شمع
m٣٠٠٢×٤٥٠ است . ضخامت کلاهک بعد از کنترل برش پانج و داشتن صلبيت مناسب m٠٧٠ انتخاب شد. مشخصات بتن گروه شمع در تمام مدلسازيها يکسان و عبارت است از: وزن مخصوص kg/m٢٥٠٠٣ و مدول الاستيسيته Gpa٢٥ و ضريب پواسون ٠/٢٥.
مدلسازي ها با استفاده از نرم افزار FLACD٣ صورت گرفته است . اين نرم افزار که براي حل مسائل ژئوتکنيکي اختصاص يافته است و در بعضي از تحقيقاتي که توسط محققين صاحبنظر اين رشته صورت گرفته (بخصوص در بحث روانگرايي خاک نظير
Seed و Byrne و همکارانشان [١٢]، [١٣]،[١٥]،) بهره برده شده است . اين نرم افزار به روش تفاضل محدود که يکي از روش هاي عددي پيوسته براي حل دستگاه هاي معادلات ديفرانسيلي است ، ميباشد. در اين روش هندسه مساله به صورت پيوسته و با المان هايي که در گرهها به هم متصل هستند مدل ميشود. در اين تحقيق براي شبکه بندي محيط خاک و گروه شمع از المان هاي حجمي مکعبي استفاده شد و در فصل مشترک خاک و شمع ها، سطح مشترک (Interface) که المان هاي مسطح سه ضلعي هستند تعريف شد. در شکل (١) مقطع برش خورده مدل در سطح گذرنده از محور طولي يک رديف گروه شمع که در نرم افزار مدل شده ، نشان داده شده است .
شکل (١): شکل برش خورده مدل در سطح مقطع گذرنده از محور طولي يک رديف گروه شمع
در تحليل استاتيکي براي گروه شمع از مدل رفتاري الاستيک و براي خاک از مدل رفتاري پلاستيک موهر-کولمب استفاده شد. در تحليل ديناميکي براي گروه شمع از مدل رفتاري الاستيک و براي خاک از مدل رفتاري فين که با مدل رفتاري موهر-کولمب مرتبط است و براي مدلسازي شرايط روانگرايي خاک است ، استفاده شد. در طبيعت در اثر روانگرايي ممکن جريان آب نيز وجود داشته باشد که در اين صورت عوامل موثر بر نفوذپذيري خاک نقش مهمي خواهند داشت [٧]. در اين تحقيق جريان آب در خاک در نظر گرفته نشد و به علت برگشت ناپذير بودن تغييرشکل ها در روانگرايي کرنش بزرگ به آن اختصاص داده شد.
در جدول (١) خلاصه مشخصات خاک در مدلسازيهاي انجام شده آورده شده است . مدلسازيها در پنج گروه دسته بندي شده اند. در هر گروه تنها يکي از پارامترهاي خاک تغيير يافته است که دامنه تغييرات آن ذکر شده است و بقيه مشخصات ثابت ميمانند.
p:چگالي خاک، E: مدول الاستيسيته ، G: مدول برشي، ν: ضريب پواسون ، C: چسبندگي، φ: زاويه اصطکاک داخلي، n: پوکي، (٦٠)N١: عددنفوذ استاندارد اصلاح شده ، w.t: تراز آب زيرزميني.
پس از تحليل تنش برجاي مدل ها، تمامي آنها تحت تنش سربار قايم يکسان kpa ١٠٠بر کلاهک قرار گرفتند. اين بار براساس ظرفيت باربري خالص گروه شمع و با توجه به شرايط هاي مختلف مدلسازي ها انتخاب شده است تا علاوه بر يکسان بودن سربار مدلسازي ها، ضريب اطمينان بالايي نيز داشته باشد. جهت اعمال بار ديناميکي از رکورد زلزله سال ١٩٩٥ کوبه ژاپن براي تمامي مدلسازيها استفاده شد که PGA اين آن g٠٦٩٤ است . در شکل (٢) شتاب نگاشت اصلاح شده اين زلزله
نشان داده شده است .
شکل (٢): شتاب نگاشت اصلاح شده زلزله کوبه ژاپن ١٩٩٥
در جدول (٢) نتايج حاصل از نرم افزار و مقدار محاسبه شده دستي تنش برجاي خاک که براي يکي از مدلسازي هاي انجام شده (مدلسازي از گروه (٥) با تراز آب زيرزميني m ٢) جهت مقايسه آورده شده است . همانطور که مشاهده ميشود نتايج همگرايي خوبي دارند.
u: فشار آب حفره اي ، Szz: تنش قائم کل ، S'zz:تنش موثر قائم ، Sxx:تنش افقي کل ، S'xx:تنش موثر افقي
٣- بررسي اثر تغييرات پارامترهاي خاک بر روند و ميزان نشست گروه شمع
در اين بخش اثر تغييرات هر يک از پارامترهاي خاک بر روند و ميزان نشست گروه شمع به طور جداگانه بررسي شده است . همانطور که اشاره شد در هر مورد تنها پارامتر مورد بررسي تغيير مييابد و بقيه مشخصات مدلسازي يکسان است .
٣-١- بررسي اثر تغييرات چگالي خاک (ρ)
خاکهاي مستعد روانگرايي داراي چگالي با محدوده نسبتا وسيعي هستند. اين در حالي است که در صورت بروز پديده هاي مرتبط با روانگرايي طي لرزش زمين تحت زلزله و حتي مدتي پس از پايان زلزله تغييراتي در حجم خاک بوجود مي آيد که هم ميتوان شاهد انقباض خاک بود و هم اتساع خاک و به ترتيب باعث تراکم خاک (مانند نشست ) و انبساط خاک (مانند جوشش ماسه ) مي شوند. در نتيجه چگالي خاک ثابت نميماند و تغيير ميکند. در مدلسازيهاي اين قسمت براي خاک از چگالي kg/m٣ ١٥٠٠، ١٦٠٠، ١٧٠٠، ١٨٠٠ و ١٩٠٠ که چگالي معمول براي خاکهاي ماسه اي شل ميباشد، استفاده شده است . جزييات مشخصات خاک اين مدلسازيها در گروه (١) جدول (١) آورده شده است .
در شکل (٣) منحني تغييرات مقدار نشست گروه هاي شمع در طول زمان زلزله مدل هاي مذکور رسم شده است . ميتوان مشاهده کرد که نشست هاي بزرگي صورت گرفته است . ترتيب چيدمان منحنيها به ترتيب کاهش چگالي خاک آنها بدست نيامده است و افزايش چگالي خاک به طور قطعي باعث کاهش نشست نشده است . اين موضوع را در شکل (٤) که منحني تغييرات نشست حداکثر شمع هاي گروه شمع نسبت به چگالي خاک را نشان مي دهد، نيز ميتوان مشاهده کرد. در اين شکل مشاهده ميشود که نرخ رشد منحني منظم نيست و افزايش وکاهش هايي را در ميزان نشست گروه شمع بدون پيروي از نظم خاصي با افزايش چگالي خاک وجود دارد. بدين ترتيب ميتوان نتيجه گرفت که مقدار چگالي خاک و تغييرات آن ناشي از اعمال بار ديناميکي اثر مستقيم بر مقدار نشست حاصل از روانگرايي ندارد.
شکل (٣): منحني نشست -زمان گروه شمع با چگالي خاک متفاوت
شکل (٤): منحني تغييرات نشست -چگالي خاک گروه شمع
٣-٢- بررسي اثر تغييرات زاويه اصطکاک خاک (φ)
همانطور که ميدانيم روانگرايي عموما در خاکهاي ماسه اي شل رخ ميدهد و در اين خاکها چسبندگي بين دانه هاي آن وجود ندارد (٠=C) و مقاومت برشي خاک ناشي از نيروي مقاوم اصطکاکي بين دانه هاي آن است . علاوه بر اين که حتي در شرايط معمول ، زاويه اصطکاک داخلي يک خاک را براي تمام شرايط نميتوان ثابت در نظر گرفت و ممکن است تغيير کند، انتظار ميرود که وقتي خاک روانگرا شود بسته به مقدار روانگرا شدن و نوع آن ، اصطکاک بين دانه هاي خاک و همچنين اصطکاک بين شمع ها و خاک تغيير کند و حتي ميتواند به صفر برسد. تعيين ميزان و روند اين تغييرات و مدلسازي آن در نرم افزارهاي تجاري موجود هنوز ميسر نيست و حين انجام تحليل ها، زاويه اصطکاک داخلي ثابت در نظر گرفته مي شود و در نتيجه آثار تغييرات در زاويه اصطکاک داخلي خاک بر نتايج حاصل از آناليز مدل اعمال نميشود که اين مورد در طراحي ها بايد در نظر گرفته شود. در بررسي اثر اين تغييرات در مدلسازيهاي اين قسمت ، از خاک با زاويه اصطکاک داخلي به ترتيب از ٢٠، ٢٢/٥، ٢٥، ٢٧/٥ و ٣٠ درجه که زاويه اصطکاک داخلي معمول براي خاکهاي ماسه اي شل است ، استفاده شد. جزييات مشخصات خاک اين مدلسازيها در گروه (٢) جدول (١) آورده شده است .
نرم افزار تحليل اکثر مدل ها را تا آخر ادامه نداد که ميتواند به دليل رخ دادن تغييرمکان هاي ب ش ي از اندازه در المان هاي مدل باشد. در شکل (٥) منحني تغييرات مقدار نشست گروه شمع در طول زمان زلزله براي پنج مدل مذکور رسم شده است .
همانطورکه مشاهده مي شود کاهش زاويه اصطکاک داخلي خاک باعث افزايش نشست گروه شمع شده است ولي نحوه نشست شمع ها مانند منحنيهاي مشاهده شده درقسمت قبل متشابه و منظم نيست .
در شکل (٦) منحني تغييرات مقدار نشست گروه شمع نسبت به تغييرات زاويه اصطکاک داخلي خاک در ثانيه سوم زلزله که تحليل تمامي مدل ها هنوز ادامه داشته است ، رسم شده است و روند تغييرات مقدار نشست گروه شمع –زاويه اصطکاک داخلي را ميتوان ارزيابي کرد. همانطور که مشاهده مي شود در اين زمان منحني با نرخ تغييرات تقريبا يکنواختي بدست آمده است و با کاهش زاويه اصطکاک داخلي مقدار نشست افزايش يافته است . بعد اين زمان با توجه به منحني هاي بدست آمده در شکل نرخ تغييرات نميتواند يکنواخت باشد هرچند هنوز هم کاهش زاويه اصطکاک داخلي باعث افزايش نشست شده است .
٣-٣- بررسي اثر تغييرات مدول الاستيسيته خاک (E)
طي اعمال بار زلزله مدول الاستيسيته خاک ثابت نميماند و از آنجايي که مدول الاستيسيته و مدول برشي خاک با هم مرتبط هستند با ثابت دانستن ضريب پواسون به علت کوچکي دامنه تغييرات ، مدول برشي خاک نيز طي اعمال بار زلزله ثابت نميماند و طبق رابطه (١) تغيير مييابد.
