مقاله بررسی تأثیر روانگرایی خاک بر عملکرد لرزه ای پی های عمیق

بخشی از مقاله

بررسی تأثیر روانگرایی خاك بر عملکرد لرزه اي پی هاي عمیق

چکیده

استفاده پیاز هاي عمیق (شمع ها) در طی دهه اخیر، افزایش قابل توجهی در سواحل ماسه اي کشور که غالباً داراي ساختار خاك دانه اي اشباع هستند، پیدا کرده است. تنش هاي زلزله در مناطقی با چنین ساختار خاك موجب افزایش فشار آب منفذي و کاهش مقاومت خاك و در نهایت ایجاد حالت روانگرایی در خاك می گردد که اثرات مخرب و پرهزینه اي را بر روي پی هاي عمیق خواهد گذاشت. با توجه به اهمیت این موضوع، در این مقاله ابتدا با مدلسازي حالت روانگرایی براي پروفیل خاك با اعمال زلزله سال 1369 منجیل استان گیلان بر طبق مدل رفتاري فین، رفتار یک تک شمع مدلسازي شده بر اساس مدل رفتاري الاستیک شامل میزان جابجایی افقی و همچنین لنگرهاي خمشی وارده به شمع در حالت اتصال سر دآزامورد بررسی قرار گرفت. سپس با گیردارنمودن اتصال سر شمع، مجدداً میزان جابجایی افقی و همچنین لنگرهاي خمشی وارده به شمع مورد تحلیل قرار گرفت. مقایسه نتایج این دو حالت نشان می دهند که گیردار نمودن سر شمع، بیشتر بر نقاط بالایی شمع تأثیر داشته و نواحی انتهایی شمع، بیشتر تحت تأثیر رفتار و عملکرد خاك اطراف شمع قرار دارند.

کلمات کلیدي: شمع، روانگرایی، جابجایی افقی، لنگر خمشی، اتصال سر شمع.

.1 مقدمه
کاربرد شمع در سازه ها، داراي طیف بسیار گسترده اي است که از موارد استفاده آن ها می توان به پی پل ها، پی ساختمانهاي بلند ساخته شده در در زمین هاي سست، پی اسکله ها و ... اشاره کرد. پی هاي شمعی براي انتقال بار از خاکهاي سست به لایه هاي مقاوم در ژرفاهاي بیشتر به کار می روند. بخشی از این انتقال بار بوسیله مقاومت اصطکاکی در طول شمع و بخشی دیگر با کمک مقاومت نوك شمع انجام می شود(شمع هاي اتکایی). با توجه به کاربرد گسترده شمع ها در سازه هاي مختلف، بررسی آن در بارهاي جانبی مانند زلزله اهمیت ویژه اي پیدا می کند.

خرابی هاي ایجاد شده در شمع ها در اثر زلزله به گونه اي بیانگر کاستی هایی است که در طراحی و یا ساخت آنها وجود داشته است. بررسی خرابی ها و انجام مطالعات پس از وقوع زلزله همواره منجر به پیشرفت در تحلیل و طراحی و توسعه ضابطه هاي مناسب تر در اجرا شده است. این پیشرفت ها و تغییرات در آیین نامه ها به طور گام به گام پس از هر زلزله صورت گرفته که براي نمونه می توان به تغییرات ایجاد شده در آئین نامه (Japanese Road Association) JRA

1

پس از زلزله 1995کوبه اشاره کرد. شمع هایی که از لایه هاي خاك روانگر ا عبور می کنند در اثر روانگرایی حاصل از زلزله، نیروي جانبی کمتري به آن ها وارد می شود. در این حالت شمع می تواند همانند ستون حمایت نشده، آماده ناپایداري محوري باشد. این ناپایداري می تواند به کمانش جانبی شمع در جهت ضعیف تر و ایجاد مفصل مومسان بیانجامد. با توجه به اینکه کمانش شمع به صورت ناگهانی و بدون نشانه مشخص خطر از پیش رخ می دهد، بررسی پایداري شمع در اثر کمانش و محاسبه ظرفیت کمانشی شمع امري ضروري می باشد.

.2 مدل تفاضل محدود

در این مقاله به منظور بررسی رفتار لرزه اي شمع در خاك روانگرا از نرم افزار تفاضلات محدود FLAC 2D استفاده شده است. این نرم افزار توسط مجموعه اي از گره ها در قالب یک شبکه تعریف میگردد. هر شکل هندسی را می توان توسط شبکه تفاضلات محدود به صورت مجموعه اي از چهارضلعی ها ترسیم نمود. این نرم افزار با استفاده از تحلیل دینامیکی بر پایه تنش مؤثر به خوبی قادر به محاسبه فشار آب منفذي ایجاد شده در طی بارگذاري می باشد. در این تحقیق، براي مدلسازي خاك در حالت استاتیکی از مدل رفتاري موهر-کولمب و در حالت دینامیکی از مدل رفتاري غیرخطی فین براي شبیه سازي فشار آب منفذي ایجاد شده و روانگرایی خاك استفاده شده است. شمع نیز با استفاده از المان الاستیک خطی شمع (Pile) مدلسازي گردیده است.

.3 مدل سازي شمع و خاك
در این تحقیق، پروفیل خاکی به طول 25 متر و عمق 15 متر همراه با یک شمع بتنی دایره اي به طول 12 متر و قطر 1 متر در نظر گرفته شده است. همچنین با انتخاب12 المان براي شمع و تقسیم هر المان به دو بخش، شمع مورد نظر به 24 بخش یا Segment و 25 گره تقسیم شد. براي پروفیل خاك نیز 30 ردیف طولی و 30 ردیف عمودي در نظرگرفته شد (شبکه مش .(30 × 30 با توجه به اینکه میزان تغییر شکل ها و جابجایی هاي خاك در راستاي قائم بیشتر از میزان تغییر شکل ها و جابجایی هاي خاك در راستاي افقی می باشد، لذا مش هاي ساخته شده در مدل بصورت مستطیلی می باشند. نحوة مش بندي پروفیل خاك و همچنین نصب شمع در نرم افزار FLAC 2D در شکل (1) نشان داده شده است.

شکل (1 نحوة مش بندي پروفیل خاك و نصب شمع در نرم افزار FLAC 2D

2

همانطور که در شکل 2 مشاهده می شود، پروفیل خاك داراي سه لایه بوده که عبارتند از :

لایه اول از سطح زمین تا عمق 4 متري از نوع خاك رس لاي دار همراه با ماسه (CL-ML)، لایه دوم از عمق 4 متري تا عمق 8 متري از نوع ماسه لاي دار (SM) و لایه سوم از عمق 8 متري تا عمق 15 متري از نوع خاك رس با خاصیت خمیري کم .(CL)

شکل (2 مشخصات لایه هاي خاك و ابعاد مدل بکار گرفته شده

جنس لایه هاي خاك بر اساس مطالعات ژئوتکنیک و حفاري گمانه بدست آمده که مشخصات کامل آنها در جدول 1 ارائه گردیده است. در مدل سازي شمع و خاك، رفتار شمع مطابق با الگوي رفتاري الاستیک و رفتار خاك مطابق با الگوي رفتاري موهر - کولمب (در حالت استاتیکی) و الگوي فین (در حالت دینامیکی) می باشد. ضمن اینکه بر اساس مطالعات ژئوتکنیک انجام شده بر روي خاك مورد نظر، تراز آب زیرزمینی در سطح زمین در نظر گرفته شده است. مشخصات مورد نیاز شمع مدل شده براي مدل الاستیک نیز در جدول 2 ارائه گردیده است.

جدول (1 پارامترهاي مورد نیاز لایه هاي مختلف خاك در الگوي موهر - کولمب

3

جدول (2 پارامترهاي مورد نیاز شمع بتن مسلح

.4 زلزله اعمال شده به مدل
بارگذاري دینامیکی می تواند به صورت ورودي شتاب - زمان به مدل اعمال شود. زلزله منجیل با توجه به روانگرا کردن خاك منطقه رودبار و منجیل در استان گیلان در هنگام وقوع، با مشخصات زیر به مقیاس درآمده و به مدل اعمال شده است. این زلزله در 31 خردادماه سال 1369 سبب ویرانی شهرهاي منجیل، رودبار، لوشان و بخش هاي وسیعی از مناطق طارم در استان زنجان گردید. در جدول 2 مشخصات شتاب نگاشت اعمالی به مدل ارائه شده است.

جدول (2 مشخصات زلزله منجیل (1369) اعمال شده به مدل

بزرگا حداکثر سرعت حداکثر شتاب دوره تناوب نزدیکترین فاصله تا سطح
(M) (cm/sec) (بر حسب (g (ثانیه) گسلش
7/3 22/855 g 0/55 0/172 12 کیلومتر

نمودار تاریخچه شتاب - زمان زلزله اعمال شده به مدل (زلزله 1369 منجیل) در شکل (3) نشان داده شده است.

0.6

g حسب بر شتاب

شکل (3 تاریخچه شتاب - زمان زلزله 1369 منجیل (استان گیلان)