بخشی از مقاله
بررسی رفتار کوله های خاک مسلح با ژئوگرید: ۱-عوامل مؤثر در پایداری داخلی
چکیده: کوله های خاک مسلح علاوه بر رانش جانبی خاک پشت خود، بارهای متمرکز قائم و افقی ناشی از عرشه پل و سربار ترافیک واقع بر روی جاده دسترسی به پل را نیز تحمل می نمایند. این بارهای اضافی پایداری داخلی تودۂ خاک مسلح را تحت تأثیر قرار میدهد. جهت کنترل پایداری داخلی در یک کوله خاک مسلح گسیختگی کششی و بیرون کشیدگی مسلح کننده ها بررسی می شود. بنابراین مقدار نیروی کششی ماکزیمم بوجود آمده در مسلح کننده ها )از جهت گسیختگی کششی و نیز موقعیت آن در طول مسلح کننده (از جهت تأمین طول لازم مهاری برای جلوگیری از بیرون کشیدگی) دو عامل تعیین کننده در پایداری داخلی تودۂ خاک مسلح هستند. در مقاله حاضر با استفاده از نرم افزار CA2 کوله خاک مسلح با ژئوگرید به روش عددی تفاضل محدود مدل شده و اثر پارامترهای مختلف بر مقدار و موقعیت نیروی کششی ماکزیمم مسلح کننده ها مطالعه گردیده است. بر اساس تحلیلهای انجام شده، استفاده از خاکریزی با زاویه اصطکاک داخلی بیش از ۳۸ درجه برای پلهای با دهانه انتهائی بالای ۱۰ متر تاثیر قابل توجهی در پایداری داخلی نخواهد داشت. محدوده مناسب برای نسبت طول مسلح کننده به ارتفاع کوله جهت تأمین پایداری داخلی استخراج شده است. موقعیت نیروی کششی ماکزیمم در طول مسلح کننده تابع محل اعمال بارهای متمرکز عرشه بوده و سطح گسیختگی )مکان هندسی نیروهای کششی ماکزیمم مسلح کننده ها( روی خطی قرار دارد که از پنجه کوله به لبه پشتی پی عرشه وصل می شود. در مقاله دیگری در همین مجموعه، عوامل مؤثر بر کنترل تغییر شکلهای افقی و قائم کوله بررسی شده است. (مقاله شماره 2)
مقدمه
خاک مسلح تکنیکی است که در آن با استفاده از المانهای مسلح کننده خصوصیات مقاومتی خاک را بهبود بخشیده و آن را تثبیت می کنند. از جمله موارد کاربرد خاک مسلح ساخت دیوارهای خاک مسلح یا اصطلاحا “دیوارهای تثبیت یافته مکانیکی" (MSEWI) است که نقش حائل را داشته و جایگزین مناسبی برای دیوارهای حائل بتن مسلح هستند. دیوارهای خاک مسلح علاوه بر حائل بودن باربر نیز بوده و می توانند بارهای قائم و افقی که به قسمت فوقانی شان وارد می شود را تحمل کنند. استفاده از تکنیک خاک مسلح بعنوان کوله پل برای اولین بار توسط هنری ویدال فرانسوی پیشنهاد شد و از آن پس استفاده از دیوارهای خاک مسلح به عنوان کوله پلها بتدریج متداول گشت. به این نوع کولهها اصطلاح کولة خاک مسلح" گفته می شود. افراد مختلفی نظیر (1978) .Boyd and Verge
( 1979 )
Juran et al (1980) Thomas و (1988) Jackson and Jones با استفاده از مدلهای آزمایشگاهی، مدلهای در مقیاس واقعی و روشهای عددی به مطالعه رفتار کوله های خاک مسلح پرداختند. در ابتدا برای دیوارها و کوله های خاک مسلح از مسلح کننده های فلزی استفاده می شد ولی به مرور زمان ژئوسینتتیک ها به عنوان گزینه ای دیگر در انتخاب نوع مسلح کننده مطرح شدند. مطالعه روی عملکرد کوله های خاک مسلح با ژئوسینتتیکها توسط محققین مختلفی در سالهای اخیر صورت گرفته است. (1990) .Thamm et al با انجام آزمایشهای در مقیاس واقعی به مطالعه کوله های خاک مسلح پرداختند. (1992) .Matichard et al مدلهای در مقیاس واقعی و مدل سانتریفوژ کوله های خاک مسلح با ژئوتکستایل را مورد بررسی قرار دادند. (1996) .Won et al یک کوله خاک مسلح واقعی را که در استرالیا ساخته شده بود با استفاده از روش عددی تفاضل محدود مدل کردند. آزمایشهای تعیین ظرفیت باربری کوله های خاک مسلح با ژئوسینتتیک ها در مقیاس واقعی توسط (1997) Adams و (1997) Ketchart and Wu انجام شد. همچنین (2000) . Abu
- Hejleh et al به ابزاربندی و مطالعه رفتار یک کوله خاک مسلح واقعی طی مراحل مختلف ساخت پرداخت. مطالعه تاریخچه ای مبسوط تر پیرامون این موضوع در مجتهدی (1380) ارائه شده است. بررسی نتایج تحقیقات فوق نشان دهنده آن است که هنوز اثر پارامترهای مختلف در پایداری داخلی و تغییر شکل کوله های خاک مسلح به خوبی شناخته نشده اند.
کوله های خاک مسلح علاوه بر وزن خاک پشت دیوار کوله، از طریق پی سطحی که در قسمت فوقانیشان قرار دارد بارهای عرشه (وزن عرشه و سربار ترافیک روی آن) و همچنین سربار ترافیک ناشی از جاده دسترسی پل را تحمل می کنند. وارد شدن بارهای فوق به یک کوله خاک مسلح باعث می گردد که عملکرد آن با یک دیوار خاک مسلح معمولی متفاوت باشد. بارهای عرشه پل و سربار ترافیک نه تنها در بررسی پایداری خارجی شامل گسیختگی لغزشی، واژگونی ظرفیت باربری، و دوران کلی اثر گذار هستند، بلکه پایداری داخلی بلوک خاک مسلح را نیز تحت تأثیر قرار میدهند. بنابراین اثر این عوامل در بررسیهای پایداری خارجی و داخلی بایستی ملحوظ شوند. هدف اصلی این مقاله تمرکز بر روی تاثیرات این عوامل بر پایداری داخلی کوله است. بارهای وارده به کوله روی مقدار و موقعیت نیروهای کششی ماکزیمم در طول مسلح کننده تأثیر گذاشته و در نتیجه می توانند سطح گسیختگی داخلی را تغییر دهند. برای این منظور از مدل عددی تفاضل محدود در نرم افزار CA2 (فخیمی، 1376) استفاده شده است. صحت عملکرد مدل عددی با داده های موجود از مطالعات تاریخچه ای فوق توسط مجتهدی و فخاریان (1380) ارائه شد. در این مقاله اثر پارامترهای مختلف بر پایداری داخلی ارائه شده و نتایج حاصله جهت طراحی جمع بندی شده اند. همچنین بارهای ناشی از کوله و سربار ترافیک موجب افزایش میزان تغییر شکلهای کوله خاک مسلح نسبت به دیوار خاک مسلح معمولی می گردد که موضوع مقاله شماره ۲ از این سری است.
معرفی مدل کوله خاک مسلح
اجزای اصلی تشکیل دهنده یک کوله خاک مسلح عبارتند از خاکریز مسلح شده، المانهای مسلح کننده، پانلهای نما، پی عرشه و دیوار متصل به پی عرشه. این اجزاء در شکل 1 برای یک کوله خاک مسلح نشان داده شده اند.
نحوه ساختن مدل کوله خاک مسلح با روش عددی تفاضل محدود نرم افزار CA2 و کنترل صحت عملکرد آن توسط مجتهدی و فخاریان (۱۳۸۰) بیان شد. شکل دیوار المان بندی شده نیز در همان مرجع ارائه شده است. جهت مطالعه پارامتریک و بررسی اثر عوامل مختلف روی پایداری داخلی، کوله خاک مسلحی به ارتفاع 7.5 متر مدل شده است. خاکریز مسلح شده از نوع خاک دانهای فاقد چسبندگی با فرض شده است. جنس مسلح کننده از ژئوگرید UX6 (از حصولات شرکت TENSAR) با مقاومت کششی مجاز و مدول الاستیسیته است. برای نمای کوله از بلوکهای بتنی به ضخامت و طول m ۱ استفاده گردیده است. به منظور قرار دادن شاهتيرهای پل بر روی تودۂ خاک مسلح یک پی نواری بتنی به عرض m ۲ و ضخامت m 0.75 بکار رفته است. جهت بارگذاری کوله پل بارهای ناشی از یک دهانه انتهایی ۱۰ متری پل بتنی با سیستم عبور گاه دو عنصری (دال و تیر) در نظر گرفته شده است. بارهای وارده بر کوله خاک مسلح شامل بارهای متمرکز قائم مرده kN / m ۵۰ و زنده kN / m ۴۵ ناشی از عرشه پل و بار افقی kN / m 2.25 است که به پی عرشه وارد می شوند. همچنین سربار ناشی از تردد وسایل نقلیه بر روی جاده دسترسی پل به مقدار kN / m 9.8و رانش جانبی خاک پشتی به کوله خاک مسلح وارد می شود. خصوصیاتی که ذکر شد به عنوان مبنا برای مدل کردن کولة خاک مسلح انتخاب شده و متناسب با مطالعه پارامتریک برخی از این خصوصیات تغییر داده شده اند. البته شرایط پی زیر کوله نیز تاثیر گذار بر پایداری خواهد بود، اما در این تحقیق اثر آن مطالعه نشده و پی کوله صلب فرض شده است.
در کنترل پایداری داخلی یک دیوار یا کوله خاک مسلح دو نوع گسیختگی کششی و بیرون کشیدگی مسلح کننده ها بررسی می شوند. برای جلوگیری از گسیختگی کششی مسلح کننده ها باید Tmax (نیروی کششی ماکزیمم) بوجود آمده در آنها کمتر از نیروی کششی مجاز (Ta) باشد. همچنین جهت بیرون کشیده نشدن مسلح کننده از داخل تودۂ خاک مسلح باید طول مهاری لازم برای آن تأمین شود. بنابراین مقدار Tmax و موقعیت آن در طول مسلح کننده دو عامل تعیین کننده در پایداری داخلی تودۂ خاک مسلح هستند. در مطالعات انجام شده اثر پارامترهای مختلف روی این دو عامل بررسی شده است.
اثر خصوصیات خاکریز مسلح شده
خاکریز مسلح شده از اجزای اصلی تشکیل دهنده دیوار و کوله خاک مسلح بوده و از نظر حجمی نیز بیشترین فضا را اشغال می کند. میزان تنش های قائم و افقی در داخل تودۂ خاک مسلح و نیروهای کششی بوجود آمده در مسلح کننده ها تابع خصوصیات خاکریز مسلح شده است. همچنین خاکریز مسلح شده بدلیل داشتن اندرکنش با مسلح کننده های داخل خود روی تنش های برشی بوجود آمده در دو طرف مسلح کننده و مقاومت بیرون کشیدگی آن تأثیر گذار است. در دیوارها و کوله های خاک مسلح برای داشتن دوام، زهکشی خوب، قابلیت ساخت و اندرکنش مناسب بین خاک و مسلح کننده از خاک دانه ای استفاده می شود. از این جهت در مطالعات پارامتریک انجام شده از خاکریز دانهای فاقد چسبندگی با دانه بندی خوب (مطابق معیار آشتو) استفاده شده و تأثیر مقدار زاویۂ اصطکاک داخلی، مدول الاستیسیته و ضریب پواسون خاک در پایداری داخلی کوله خاک مسلح بررسی شده است.
زاوية اصطکاک داخلی خاکریز مسلح شده
در مدل مورد نظر، زاویۂ اصطکاک داخلی خاکریز مسلح شده با افزایش های ۴ درجه از ۳۰ تا ۴۶ درجه تغییر داده شده و اثر آن روی رفتار کولة خاک مسلح بررسی شده است. در شکل ۲ تغییرات Tmax نسبت به H برای زاویه های اصطکاک داخلی مختلف ترسیم شده است. از این منحنیها مشخص است که با افزایش و نیروی کششی ماکزیمم در مسلح کننده ها کاهش می یابد. منحنیهای H - Tmax با افزایش و به هم نزدیکتر شده و اختلافشان کمتر می شود و برای ۳۸ 2 و این اختلاف تقریبا ثابت می ماند. همچنین از این منحنیها ملاحظه می شود که با افزایش و تغییرات Tmax نسبت به ارتفاع کمتر شده و منحنیهای H - Tmax به خط قائم نزدیک میشوند.
مدول الاستیسیته خاکریز مسلح شده
در شکل ۳ تغییرات نیروی کششی ماکزیمم مسلح کننده ها نسبت به ارتفاع برای مدول الاستیسیته های مختلف خاک از ۲۰ تا MPa ۶۰ ترسیم شده است. از این شکل ملاحظه می شود که تغییر مدول الاستیسیته خاک تأثیری روی نیروی کششی ماکزیمم بوجود آمده در مسلح کننده ها ندارد.
ضریب پواسون خاکریز مسلح شده در این مطالعه ضریب پواسون خاک مقادیر انتخاب شده است. از روی شکل ۴ ملاحظه می شود که تغییرات ضریب پواسون خاکریز مسلح شده نیز تأثیری در مقدار نیروی کششی ماکزیمم بوجود آمده در مسلح کننده ندارد.
اثر خصوصیات مسلح کننده
مسلح کننده ها یکی از اجزای اصلی تشکیل دهنده کوله های خاک مسلح هستند و بنابراین خصوصیات آنها در پایداری داخلی کوله مؤثر است. هم نوع مسلح کننده (تسمه های فولادی، ژئوتکستایل، ژئوگرید و ...) و هم خصوصیات هندسی آنها فاصله بندی قائم، افقی و طول مسلح کننده ها می تواند در رفتار و عملکرد کوله خاک مسلح نقش بسزایی را ایفا کند. در مطالعه حاضر اثر عوامل فوق مورد بررسی قرار گرفته است. مدول الاستیسیته مسلح کننده در این مطالعه مدول الاستیسیته ژئوگریدها مطابق مقادیر متداول این محصول در بازار از ۵۰۰ تا ۲۵۰۰kN / m تغییر داده شده و رفتار کوله خاک مسلح نسبت به این تغییر ارزیابی شده است. مطابق شکل ۵ تغییر مدول الاستیسیته ژئوگرید تأثیر چندانی روی مقادیر نیروی کششی ماکزیمم مسلح کننده ها ندارد و افزایش آن فقط باعث کاهش جزئی Tmax مسلح کننده های پایینی می شود.
نوع مسلح کننده: تسمه فولادی و ژئوگرید
تسمه های فولادی نسبت به ژئوگریدها مدول الاستیسیته بالاتری داشته و نیز مقاومت آنها در برابر بیرون کشیدگی متفاوت است. در بررسی حاضر از تسمه های فولادی آجدار به عرض cm ۵ و ضخامت cm 0.5 استفاده شده است. فاصله قائم و طول این تسمه ها همانند ژئوگرید به ترتیب 0.5 و m 7 انتخاب شده اند. مدول الاستیسیته معادل تسمه های فولادی برای طول یک متر
