بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی ارتباط زاویه اصطکاک داخلی خاک با پارامترهای ژئوتکنیکی با استفاده از شبکههای عصبی چندجمله ای
خلاصه
زاویه اصطکاک داخلی خاک نیز مانند سایر پارامترهای ژئوتکنیکی نقش اساسی و مهمی را در طراحی ها و تصمیم گیریهای ژئوتکنیکی انجام میدهد و تغییرات کوچک در این پارامتر بعضاً باعث تغییر مسیر کلی پروژه های عمرانی به خصوص از نظر اقتصادی می شود. این پارامتر با آزمایشهای آزمایشگاهی و در جا قابل اندازه گیری است که در صورت محاسبه در جا و با توجه به اهمیت گفته شده اعداد دقیق تری بدست میآید. آزمایش های در جا متعددی وجود دارند که فقط برخی از آنها توانایی محاسبه مستقیم این پارامتر را دارند ولی با استفاده از شبکه عصبی و دادههای گذشته میتوان برای آزمایشهای مختلف مانند SPT یکسری روابط بوجود آورد که نتایج این آزمایشها را به اصطکاک داخلی ربط دهند. طبیعتاً برای هر منطقه و هر خاک ضرایب این ارتباط متفاوت خواهد بود که در این تحقیق از دادههای موجود در ایران برای بدست آوردن یک ارتباط مناسب استفاده می شود.
۱. مقدمه
تعیین زاویه ی اصطکاک داخلی خاک ها همواره از دغدغه های مهندسین ژئوتکنیک در ارتباط با تعیین ظرفیت باربری خاک، پایداری شیروانی ها و در کل مقاومت برشی خاکی بوده است. به دلیل پیچیدگی در رفتار ذاتی خاک، لایه بندی متعدد خاکی با رفتار گوناگون را می توان از پیچیدگیهای موجود نام برد. همچنین با توجه به اینکه سیستم خاک غیرهمگن و در جهتهای مختلف غیر همسان است، ارزیابی مقدار زاویه ی اصطکاک داخلی خاک در پروژهها حائز اهمیت میباشد. به علاوه اینکه حصول نمونه ی دست نخورده ی مناسب در خاک دانه ای و همچنین طبیعت پرهزینه ی آزمایشات مقاومت برشی اهمیت مسئله را دوچندان می کند. لذا تلاش جهت هرگونه بهبودو دقت در رابطه با تخمین زاویه ی اصطکاک داخلی خاک از اهمیت بسیار ویژهای برخوردار می باشد. به طور کلی دو روش برای تعیین پارامترهای مختلف فیزیکی و مکانیکی خاک به کار میرود. روش اول یا روش مستقیم مبتنی بر آزمایش های آزماشگاهی بر روی نمونه های دست نخورده یا دستخورده می باشد و پارامترهای موردنظر مستقیماً اندازه گیری می شوند. آزمایشاتی نظیر آزمایش مقاومت
برشی، برش مستقیم، برش ساده و انواع مختلف آزمایش سه محوری. روش دوم انجام آزمایشهای صحرایی و استفاده از روابط تجربی بین نتایج صحرائی با پارامترهای موردنظر می باشد. در مواردی همچون تعیین مشخصه های مقاومتی و شکل پذیری خاک که تأثیر دستخوردگی بر نتایج بسیار جدی میباشد معمولاً ارجحیت با روش دوم است. این مطلب مشخصاً در خاکهای دانه ای که حساسیت زیادی به نمونه گیری از زمان گرفتن نمونه تا حمل آن به آزمایشگاه و آمادهسازی برای آزمایش دارند مهمتر میباشد. لذا این خاکها را بهتر است با آزمایشهای صحرایی مورد مطالعه قرار داد تا اثرات دستخوردگی به حداقل برسد. آزمایشهای صحرایی متداول عبارتند از نفوذ استاندارد(SPT)، نفوذ مخروط(CPT)، پرسیومتری ، اتساع سنجی ، برش پره، برش آیووا، روابط تجربی متعددی براساس نتایج آزمایشهای صحرایی برای تعیین پارامترهای مختلف رفتاری و مقاومتی خاک ارائه شدهاند. زاویه ی اصطکاک داخلی خاک از دو جنبه متفاوت ژئوتکنیکی و مقاومت سازهای می تواند مورد ملاحظه قرار گیرد. مقاومت ژئوتکنیکی یا ظرفیت باربری و ضریب اطمینان در برابر گسیختگی های شیروانی که این گسیختگی ها میتواند از نوع برش کلی یا برش پانچ در کف پی و شیروانی ها باشد که مقاومت برشی در ارتباط با زاویه ی اصطکاک داخلی خاک اهمیت بیشتری دارد. با انجام آزمایشات مشخصه مقاومت برشی خاک در شرایط نسبتاً واقعی تحت بار استاتیکی قرار میگیرد که روشی تقریباً طولانی مشکل و پر هزینه بوده و از مزایای عمده آن این است که مستقیماً می توان زاویه ی اصطکاک داخلی خاک را ارزیابی نمود. در این میان آزمایش SPT و سایر مشخصات خاکی که اطلاعات جامعی از خاک مورد مطالعه را به ما می -
دهند به عنوان یکی از اولین انتخاب ها جهت تخمین زاویه ی اصطکاک داخلی و طراحی ژئوتکنیکی آن محسوب می شوند.
۲. مروری بر تحقیقات انجام شده
روابط تجربی مختلفی بین زاویه ی اصطکاک داخلی خاک و نتایج آزمایش استاندارد توسط محققان مختلف ارائه شده است. براساس این روابط و استفاده از نتایج آزمون نفوذ استاندارد، مقادیر زاویه اصطکاک داخلی خاک تخمین زده می شود. در ادامه روابط ارائه شده توسط این محققان را بیان می کنیم.
* فاضلی (۱۳۸۹)
فاضلی براساس نتایج مطالعات ژئوتکنیکی انجام شده در بیش از پروژه در نقاط مختلف کشور و با استفاده از آزمایش های برش مستقیم و همچنین نتایج آزمایش نفوذ استاندارد رابطه ی زیر را برای خاکهای درشتدانه پیشنهاد نمودند.
مقدار عدد نفوذ استاندارد فوق مقداری اصلاح شده (از نظر اصلاح انرژی) میباشد. در صورتیکه انرژی وارده مقداری متفاوت از ۶۰ درصد باشد میتوان از رابطه ی زیر برای هماهنگ سازی استفاده نمود.
* لطیفی (۱۳۹۰)
لطیفی با کمک گرفتن از ۱۷۸ مورد نمونه ی حاصل از آزمایش های صحرائی و آزمایشگاهی واقعی در مناطق مختلف ایران رابطه ی ذیل را ارائه نمود. استفاده از آزمایش نفود استاندارد رابطه ای کلی برای بدست آوردن زاویه ی اصطکاکی داخلی خاک ارائه نمود(رابطه ی اول برای شن و رابطه ی دوم برای ماسه):
لطیفی با توجه به نتایج آزمایش های برش مستقیم و نفوذ استاندارد در یک سایت اقدام به استخراج عدد نفوذ استاندارد و زاویه ی اصطکاک داخلی خاک پرداخت. مقادیر عدد نفوذ استاندارد اصلاح شده، معادل ۷۰ درصد انرژی می باشد.
• شوش پاشا و تقدیسی (۱۳۹۱)
شوش پاشا و تقدیسی در سال ۱۳۹۱ با مطالعات دقیق گزارشات ژئوتکنیکی انجام شده توسط مهندسین مشاور در استان مازندران (اغلب شهر بابلسر)، که جنس اکثر خاکهای آنها ماسه بد دانه بندی شده میباشد، تا عمق ۲۰ متری اقدام به ارائه ی رابطه ی تجربی براساس توابع چند جمله ای و لگاریتمی کردند.
ه با ولز (۱۹۹۶)
در سال ۱۹۹۶ با ولز بنا بر تحقیقات گسترده ی خود و همچنین انجام آزمایشهای فراوان نفود استاندارد و برش مستقیم رابطه ی زیر را ارائه نمود. در رابطه ی وی عدد نفوذ استاندارد با انرژی ۷۰ درصد استفاده شده که همانطور که در بالا ذکر کردیم باید اصلاح اثر انرژی را انجام داده و سپس در این رابطه قرار دهیم.
زکاس و همکاران (۲۰۰۴)
در سال ۰۴ ۲۰ زکاس و همکاران با انجام آزمایش هایی همچون آزمایش برش مستقیم و آزمایش سه محوری بر روی نمونه های مختلف و نیز آزمایش نفوذ استاندارد رابطه ی زیر را برای محاسیه ی زاویه ی اصطکاک داخلی بر حسب عدد نفوذ استاندارد ارائه نمودند. در رابطه ی پیشنهادی (رابطه ی ذیل) آنها زاویه ی اصطکاک داخلی مؤثر خاک برای حالت زهکشی شده بر حسب عدد نفوذ استاندارد اصلاح شده ی ۶۰ درصد انرژی بدست میآید. همچنین این رابطه شامل مقداری خطا میباشد که خود زکاس در فرمول مذکور این خطا را وارد کرده است.
هیتاراچی و براون (۲۰۰۹)
هیتاراچی و براون در سال ۲۰۰۹ با انجام یکسری آزمایش نفوذ استاندارد سعی در ارائه ی رابطه ای بین دو پارامتر مهم خاک، یعنی عدد نفوذ استاندارد و زاویه ی اصطکاکی داخلی خاک نمودند. این دو مبنای تحقیق خود را بر اساس انرژی مستهلک شده در حین آزمایش نفوذ استاندارد قرار دادند و با استفاده از متد انرژی بالانس که روشی جدید در ریاضی پیشرفته محسوب می شود رابطه ی زیر را پیشنهاد نمودند.
در رابطه ی ارائه شده ی بالا 6 ضریب ثابت زاویه ی اصطکاکی داخلی خاک میباشد. K ضریب فشار جانبی خاک بوده و B عددی است بین صفر و یکی (با توجه به نوع خاک)، نیز تنش سربار مؤثر در عمق موردنظر میباشد. نیز تقریباً معادل ۹۸ کیلوپاسکال است.
۳. نتایج حاصل از مدل سازی
جهت مدل سازی داده های موجود در بانک اطلاعاتی به دو گروه آموزش و صحت سنجی تقسیم می شوند. برای تقسیم دادهها ابتدا به تعداد داده های موجود در بانک اطلاعاتی (۲۰۰۸) اعداد تصادفی تولید شد، سپس به هر یکی از آن ها به یک مورد از داده های موجود در بانک اطلاعاتی نسبت داده شد و در نهایت با مرتب کردن داده ها نسبت به این اعداد تصادفی داده ها نیز به گونه ای کاملا تصادفی نسبت به هم چیده شدند.
تعداد ۱۵۶ عدد از کل داده ها جهت آموزش شبکه و بکار گرفته شدند و مابقی داده ها (۵۲ مورد) نیز به منظور صحت سنجی مورد استفاده قرار گرفتند. GMDH بر پایه نوعی از شبکه عصبی مصنوعی توسعه داده شده است. و با توجه به این که تعداد لایه های پنهان در هر نوع هوش مصنوعی بر مبنا شبکه های عصبی مصنوعی بسیار تأثیرگذار است، در این تحقیق ۳ شبکه GMDH بدون لایه ۱ و ۲ لایه پنهان آموزش دیده و مورد صحت سنجی قرار گرفتند.
O نتایج بدون لایه پنهان برای کل دادهها برای این منظور شبکه ای بدون لایه پنهان و مورد صحت سنجی قرار گرفته است. توپولوژی GMDH مطابق شکل زیر است.
