بخشی از مقاله
بررسی اثر بالشتک شنی در تحلیل سیستم رادیه-شمع منفصل بوسیله مدلسازی آزمایشگاهی (میزلرزه و سانتریفیوژ)
1 -چکیده
شمعها در پی به دو منظور تامین ظرفیت باربری مورد نیاز و کاهش میزان نشست به سطح قابل قبول، مورد استفاده قرار می-گیرند. هنگامی که شمعها بعنوان کاهنده نشست بکار میروند تمام ظرفیت باربری ژئوتکنیکی شمعها نیز میتواند بسیج گردد. این شرایط میتواند سبب وجود تنشهای بسیار بالای محوری در شمع گردد. از اینرو جهت افزایش ظرفیت باربری شمعها و جلوگیری از آسیب سازهای، ابعاد شمع میبایست بزرگتر گردد که در این صورت سبب طراحی غیراقتصادی سیستم شالوده میگردد. به همین دلیل، جهت غلبه بر این تنشهای بزرگ مابین پی و شمع، شمعها از پی جدا و بصورت مسلح کننده در خاک زیرین بجای یک المان سازهای بکار میرود. هدف از انجام مطالعه حاضر، بررسی اثر لایه شنی در کاهش میزان نشست در سیستم رادیه- شمع منفصل می باشد که بوسیله مدلسازی سانتریفیوژ و میز لرزه انجام شده است. در این تحقیق 5 آزمایش سانتریفیوژی جهت بررسی اثر پارامترهایی چون ضخامت لایه شنی و دانه بندی لایه شنی جهت بررسی رفتار بار نشست رادیه شمع و 2 آزمایش میز لرزه جهت کنترل رفتار رادیه-شمع منفصل انجام شده است.نتیجه این آزمایشها نشان می دهد که استفاده از سیستم رادیه-شمع منفصل می تواند باعث کاهش قابل توجه ممان در شمع گردد.
2 -مقدمه
در طراحی مرسوم شالوده ها، در ابتدا انتخاب شالوده سطحی مد نظر قرار میگیرد. در شرایطی که یک سیستم پـی بـه تنهـایی قادر به تامین الزامات طراحی نباشد بوسیله اضافه کردن شمع به آن میتوان عملکرد پی را افزایش داد. بطـور معمـول شـمعهـا در پی به دو دلیل اساسی به منظور تامین ظرفیت باربری مورد نیاز و به منظور کاهش میزان نشست به سـطح قابـل قبـول، مـورد استفاده قرار میگیرند. با کاربرد تعداد محدودی از شمعها، میتوان هر دو عملکرد ظرفیت بـاربری نهـایی و نشسـت را بهبـود بخشید. در طراحیهای گذشته سیستم پی- شمع، طراحی با فرض تحمل کل بار سازه توسط شمع صورت گرفته اسـت. حتـی در شرایط کاربرد شمع بعنوان کاهنده نشست نیز اینگونه بوده اسـت. در دهـههـای اخیـر یـک روش جـایگزین مـابین سیسـتم شالوده سطحی و عمیق به نام سیستم رادیه-شمع یا سیستم رادیه-شمع کاهنده نشست مطرح شده اسـت. مفهـوم سیسـتم رادیـه شمع در ابتدا توسط دیویس و پلوس1 در سال 1972 مطرح گشته است. سپس کاربرد شمع به عنوان کاهنده نشست، اولین بـار توسط بورلند و همکاران2 در سال 1977 پیشنهاد گردید. مطالعات متعددی در زمینه کاربرد شمعهای کاهنده نشسـت تـاکنون ارائه شده است ( هنسبو و جبلنبی 1983، پدفیلد و شـرراک 1983، هنسـبو1984 3، کـوک19864، رنـدولف و کلنسـی19945، هیروکوشی و رندولف1998 6، روسو و ویجیانی1998 7، ویجیانی 2001، پولوس2001 8، رندولف 2003، مانـدولینی2003 9، رندولف و همکاران 2004،). در این روش، شالوده از تعدادی شمع جهت کاهش میزان نشست به میزان قابل قبول و همچنـین تحمل بخشی از بار سازه که توسط پی به شمعها انتقال مییابد، تشکیل شده است. با این نگرش طراحی سیستم پی-شمع بهینه شده و تعداد شمعها به مقدار قابل توجهی کاهش یافته است. نشست مجاز اغلب جهت بسیج شدن تمام ظرفیـت بـاربری شـمع کافی است (بورلند و همکاران1977 و .(1995 از اینرو در کاربرد شمعها به عنوان کاهنده نشست، ظرفیت باربری جدار شمع در نشستهای بسیار کم (برای بیشتر خاکها) بطور کامل بسیج شده و تقریبا ثابت میماند. در حالت کلی تعداد کم شـمعهـا در یک سیستم رادیه شمع میتواند سبب تولید لنگرهای خمشی بسیار بزرگ و ایجاد ترک و تمرکز تـنش محـوری در محـل اتصال شمعها با کلاهک گردد. در مناطق فعال لرزهای، اگر شمعها به پی رادیه متصل گردند، نیروهای برشی بسـیار بـزرگ و همچنین لنگرهای واژگونی به دلیل نیروهای جانبی سیکلیک یا دینامیکی میتواند در بالای شمعهـا، ایجـاد گـردد. در تمـامی این موارد، ظرفیت باربری شمعها ممکن است تحت تاثیر ظرفیت باربری سازه شمع قرار گیرد. به همین دلیل، جهـت غلبـه بـر تنشهای بزرگ مابین پی و شمع، شمعها از پی جدا شده و بصورت مسلح کننده در خاک زیرین بجای یـک المـان سـازهای بکار می روند. نمونه ای از پروژه رادیه شمع همراه لایه میانی اجرا شده عبارتند از سیستم شالوده پل ریـون انتـی ریـون یونـان ،که شمعهای عمودی جهت بهبود مقاومت برشی خاک و کاهش خطر نشست نامتقـارن، بعـلاوه یـک لایـه سـنگی (دانـهای) جهت محدود نمودن انتقال نیروهای برشی و لنگرها بین سازههای عظیم و خـاک مـیباشـد و دیگـری سیسـتم شـالوده حفـاظ متحرک ونیز10 جهت محافظت تالاب از سیل، از این نوع سیستم است. این سیستم شامل شمعهای لولـهای بـه قطـر 0/5 متـر و طول 19متر است که پس از لایه 1متری از مصالح دانهای درشت متراکم شده اجرا میشود. هدف از اجرای شمعها کـاهش و حذف نشست نامتقارن به دلیل تغییر پذیری خاک و کاهش هرگونه نقص ناشی از پیچیدگیهای اجرای زیر آب است.
لیانگ و همکاران 2003، برای اولین بار از سیستم رادیه شمع به نام سیستم رادیه شمع مرکب همراه با لایه بالشتک ارائه کردند. در این نگرش جدید از شمعهای کوتاه از جنس مصالح انعطاف پذیر جهت تقویت خاک سطحی و همچنین از شمعهای بلند از مصالح نسبتا صلب جهت کاهش میزان نشست و لایه میانی جهت باز توزیع نیروها به شمعها و خاک زیرین استفاده میشود.
لایه میانی بین شمعها و پی در حین تحریک سیکلیک جهت توزیع یکنواختتر فشار، طراحی شـده اسـت. محققـین متعـددی در سالهای اخیـر نتـایج شـبیه سـازیهـای عـددی ]وونـگ و همکـاران2000 11، لیانـگ و همکـاران2003 12، 2006 هانـگ و همکاران2007 13، اسلامی و صالحی 2011، شارما و همکاران [2011 و آزمایشات مدل سازی فیزیکی در ارتباط با شمعهـای کاهنده نشست منفصل ارائه کردند.]کو و همکاران2004 14، مصطفی السوواف2010 15، گیریتی و همکاران [2011
مصطفی السوواف 2010، بر روی سیستم رادیه شمع متصل و غیرمتصل بصورت آزمایشگاهی تحت شتاب 1g مطالعهای انجام داد. او در این مطالعات تاثیر شمعهای کوتاه در دو حالت متصل و غیرمتصل به پی در رفتار پی با بارگذاری نامتقارن را نشان داد. با تغییر پارامترهایی چون طول شمع، تعداد شمع، خروج از مرکزیت بار و چگالی نسبی ماسه و چیدمان شمع نشان داد که شمعهای کوتاه تاثیر چشمگیری در بهبود رفتار رادیه شمع در بارهای خارج از مرکز نشان میدهد و نصب شمعها در لبه پی بهترین چیدمان برای غلبه بر بارهای خارج از مرکز است. در حالت شمعهای کوتاه، که جنس لایه شنی مابین پی و شمعها با جنس خاک مورد آزمایش از نظر تراکم و دانه بندی یکسان باشد، شمعهای متصل کوتاه بهبود بیشتر نسبت به حالت منفصل در رفتار پی نشان میدهد. فیورانته و گیریتی2010، بوسیله مدلسازی سانترفیوژی، مطالهای بر روی مکانیزم انتقال بار در سیستم رادیه شمع و همچنین اثر لایه شنی میانی بر سختی سیستم شالوده در ماسه متراکم خشک انجام دادند. نتایج آزمایشها نشان داد که مکانیزم توزیع بار در شالوده تابعی از سختی نسبی شمع و خاک زیرین است. همچنین سختی اولیه شالوده اساسا تابعی از سختی شمعها است. در سیستم رادیه شمع غیرمتصل، کاربرد لایه شنی انعطاف پذیر بین سر شمع و پی، اجازه وقوع نشست نسبی سر شمع و خاک زیرین را میدهد. شمع ها از طریق سر شمع و اصطکاک منفی جداره در بالای شمع بارگذاری میشوند به این ترتیب سبب وقوع نشست شمع ها و بسیج شدن اصطکاک مثبت جداره در قسمت پایین شمع و مقاومت نوک شمع میگردد. و همچنین اگر سختی لایه شنی به اندازه کافی سخت نباشد ظرفیت باربری شمع ها بطور کامل بسیج نمی-گردد و کارایی رادیه شمع میتواند کمتر از رادیه شمع متصل گردد.
اسلامی و صالحی2011 16، بوسیله تحلیل عددی مطالعهای بر روی سیستم رادیه شمع غیرمتصل با لایه میانی انجام دادند. در این مطالعه از روش المان محدود سه بعدی آباکوس برای مدل سازی این سیستم استفاده شده است. آنها در این مطالعه پارامترهایی چون، عدم اتصال شمعها، لایه میانی، ضخامت رادیه، و چیدمان شمعها بر روی عملکرد سیستم رادیه شمع غیر متصل مورد بررسی قرار دادند.
زنگ و مینگلی2012، بر پایه چندین ساده سازی، یک مدل مکانیکی از نفوذ شمع درون لایه بالشتک و روش محاسبه اندرکنش شمع و خاک فرمول بندی کردند. در این روش، بر اساس مختصات تغییر شکل شمع-خاک-بالشتک، یک روش محاسبه نسبت تنش شمع و خاک ارائه گردیده است. بر پایه این روش طراحی بهینه سیستم رادیه شمع منفصل قابل انجام است.
3 -عملکرد سیستم پی شمع تحت بار استاتیکی
به منظور بررسی عملکرد پی- شمع و بالشتک شنی تحت بار استاتیکی(شکل (1، یک سری آزمایشهای سانتریفیوژ مدل شده است.
شکل -1 سیستم پی شمع متصل با 4 شمع وپی شمع غیر متصل با 1/5 متر لایه شنی و 4 شمع
-1-3 روش آزمایش های سانتریفیوژ
در مطالعه حاضر تمامی آزمایشها در شتاب 100g انجام شده است. شمعها در شتاب 1g نصب شدهاند. در صورتیکه شمعهـا در شتاب 1g نصب شوند ظرفیت باربری شمعها کمتر از حالتی خواهند بود که در شتاب Ng نصب شوند کرایگ(.(1984 امـا با توجه به این امر که روش نصب شمعها برای تمام آزمایشات یکسـان بـوده اسـت و هـدف ایـن تحقیـق بررسـی سیسـتمهـای مختلف رادیه شمع با یکدیگر میباشد از این خطا میتوان صرف نظر کرد. همچنین میـزان شـتاب بـر اسـاس 1/3 عمـق نمونـه محاسبه وتمامی آزمایشها در خاک ماسهای با تراکم نسبی 55 درصد انجام شده است. در این آزمایش ها به دلیل محـدودیت اجرایی بارگذاری به صورت استاتیکی و مرحلهای در شتاب 1g اعمـال گردیـد. جهـت مدلسـازی و مقیـاس واقعیـت بـه مـدل آزمایش سانتریفیوژ از جدول (1) استفاده شده است.
جهت مدلسازی خاک ، از ماسه استاندارد شماره 161 فیروزکوه (ماسه سیلیسی شکسته) و برای مدل سازی لایه شنی از ماسه D11 فیروزکوه استفاده شده است. این ماسه ها دارای دانهبندی یکنواختی میباشند و 50 آنها به ترتیب برابر 0/27 و 1/15 میلیمتر است(شکل .(2 جدول (2) مشخصات ماسه 161 فیروزکوه را در کنار مشخصات ماسه تویورا ژاپن و ماسه D11 فیروزکوه نشان میدهد
برای مدلسازی شمعها از لوله آلومینیومی به ضخامت 5/6 میلیمتر به صورت جدول (3) استفاده شده است.
-3-2 ابزارگذاری 18
از دو عدد تغییرمکان سنج19 برای اندازهگیری میزان نشست شمعها و خاک استفاده شده است. شکل 3 نمایی از شرایط مرزی و محل قرارگیری سیستم رادیه شمع و تغییرمکانسنجها را نشان میدهد. خلاصه ای از آزمایشهای انجام شده در جدول (3) ارائه شده است.
جهت بررسی رفتار سیستمهای انتقال بار سازه به خاک ماسهای با تراکم متوسـط (تـراکم 55 درصـد) 5 آزمـایش پـی منفـرد، گروه شمع، رادیه شمع، رادیه شمع منفصل با 1/5 متر لایه شنی و رادیه شمع متصل با 1/5 متر لایـه شـنی زیـر کلاهـک انجـام شده است. نمودار 4 رفتار بار نشست نرمالیزه شده 5 آزمایش فوق را نشان میدهد. همانطور که در نمودار4 آورده شده است، ظرفیت باربری گروه شمع نسبت به رادیه بسیار اندک است همچنین بهینه ترین نمودار مربوط به پـی شـمع متصـل بـا 1/5 متـر لایه شنی می باشد اما به جهت اجرای سخت آن، بهینه ترین و کاربردی ترین روش پی شمع منفصل می باشد.
4 -عملکرد سیستم پی شمع منفصل تحت بار دینامیکی
به منظور بررسی تغییر مکانهای افقی پی- شمع منفصل با بالشتک شنی، که در شرایط استاتیکی به صورت بهینه عمل می کرد، تحت بار دینامیکی(شکل (1، یک سری آزمایشهای میز لرزه انجام شده است.
-1-4 روش انجام آزمایش های میز لرزه
برای بررسی و انطباق رفتار واقعی مدل و سازه اصلی باید روابط تشابه بین مدل و سازه واقعی برقرار باشد .باید توجه داشت که همواره نمی توان تمامی پارامترهای مدل را مقیاس نمود و در هر سری از آزمایشات مدل فیزیکی اولویت با مقیاس نمودن پارامترهای مهم مورد نظر در مطالعه است .بنابراین پایه گذاری روابط تشابه بین مدل و سازه واقعی لازم و ضروری است .تعدادی از محققان فرضیاتی را جهت انتخاب ضرایب مقیاس برای مدلها بصورت کلی و بعضا مدل های ژئوتکنیکی بصورت خاص، مطرح کرده اند. این اطلاعات که توسط وود 202004 جمع آوری و مدون شده است در یک قالب کاربردی در جدول 5 ملاحظه می گردد. روابط ارائه شده در جدول مذکور، N نسبت مقیاس مدل واقعی به مدل آزمایشگاهی است که در تحقیق حاضر این مقدار برابر 10 فرض شده است. همچنین α ضریبی تابع جنس خاک می باشد که در آزمایشات مورد نظر برای ماسه، 0/5 انتخاب گردیده است.
