بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی پایداری فضاهای زیرزمینی در طرح کاریز کیش
چکیده:
پیش بینی رفتار تونل ها و ارزیابی پایداری این فضاها یکی از مسائل مطرح در مهندسی ژئوتکنیک می باشد. محیط واقعی توده سنگ و خاک از پیچیدگی های زیادی برخوردار است و تحلیل آن بر پایه مدل های خطی و الاستیک چندان به واقعیت نزدیک نیست. این نوشتار به بررسی پایداری فضاهای زیرزمینی در مجموعه کاریز کیش می پردازد. این مجموعه در مسیر سه شاخه قنات قدیمی در قسمت شمال شرقی جزیره کیش (بخش قدیمی جزیره ایجاد می گردد که هدف از آن ایجاد محیط مناسب برای صنعت توریسم می باشد. در این تحقیق مدارک موجود در خصوص تعیین پارامترهای مقاومت توده اطراف پروژه مذکور بررسی گردید. سپس ضمن بازدید از سایت، آزمایش های موردنیاز انجام گرفت. بر پایه اطلاعات به دست آمده، با استفاده از برنامه های کامپیوتری رفتار غیر خطی مناطق حفاری ارزیابی شده است. به این منظور مقاطع مختلفی از مجموعه کاریز کیش انتخاب شده و توسط نرم افزار FLAC تحلیل گردید. با توجه به نتایج آنالیزهای انجام گرفته مناطق مسأله دار مشخص شده و چگونگی رفع مشکلات بررسی گردید. در ادامه آنالیز حساسیت در مورد پارامترهای مقاومتی توده های موجود انجام گرفت.
مقدمه
پروژه ای که در این نوشتار بررسی می گردد مربوط به مجموعه کاریز کیش" می باشد. مجموعه کاریز کیش" در شمال شرقی جزیره کیش (در بخش قدیمی جزیره قرار دارد. طول کلی قنات ۱/۵ کیلومتر است که در کناره غربی مجموعه ورزشی به سه رشته تقسیم و مجددا پس از طی حدود ۲۰۰ متر به یک شاخه تبدیل می شود. بر این اساس با توجه به برنامه پیش بینی شده و طرح های موجود و راه های دسترسی، زمینی به وسعت ۲۰/۰۰۰ متر مربع در بالای این سه رشته در نظر گرفته شده است (شکل ۱). |
در این نوشتار ابتدا پارامترهای مورد نیاز برای شناخت توده اطراف مناطق حفاری جهت استفاده در تحلیل های بعدی مورد بررسی قرار می گیرد. سپس ضمن معرفی مختصر نرم افزار FLAC، آنالیزهای مربوط به منطقه مورد نظر انجام گرفته و چند مقطع به منظور آنالیز حساسیت پارامترهای مقاومتی توده های موجود، شرایط تنش اولیه، مدول الاستیسیته و پوشش های مختلف بررسی و آنالیز می گردد.
فضاهای زیرزمینی
روشهای تجربی در سازه های زیرزمینی
طبقه بندی ترزاقی (۱۹۴۷)، قدیمی ترین روش تجربی در حفاری تونل ها می باشد. این طبقه بندی بر اساس تجاربی روی تونل های آلپ در اروپا بود که با قاب های فلزی نگهداری میشوند. سنگ ها در این طبقه بندی به هفت گروه تقسیم می شوند. ترزاقی براساس آزمایش ها و تجربیات شخصی مقدار بار وارده از سوی هریک از انواع سنگ ها را ارائه داده است.
برخی روشهای تجربی دیگری که به نوعی ارائه پارامترهای جدید یا تکمیل پارامترهای معرفی شده توسط ترزاقی می باشد عبارتند از طبقه بندی لوفر(۱۹۵۰)، طبقه بندی دیر (۱۹۶۴)، طبقه بندی ویکهام (۱۹۷۴) و...
وضعیت تنش ها در اطراف فضای زیرزمینی
سنگهایی که در پوسته زمین قرار دارند در معرض حالتی از تنش درجا هستند. هنگامی که سازهای زیرزمینی در سنگ حفر می شود، وضعیت تنش های موجود دگرگون شده و در مجاورت جدار حفاری مجدد توزیع می شوند. بنابراین، قبل از اینکه توزیع تنش ها در اطراف حفاریها در سنگ را بتوان محاسبه نمود، باید وضعیت تنشها را قبل از حفاری تعیین نمود. بر اساس نتایج حاصل از اندازه گیری تنش در اعماق مختلف و نقاط مختلف جهان، هوک و براون نشان دادند که تنشهای اولیه قائم برابر 7.2 = ) می باشد. ضریب K که نسبت تنش افقی به قائم است یکی از پارامترهایی است که باید با دقت تعیین شود. از طرف دیگر، تأثیر حفره ایجادشده در سنگ یک تأثیر محلی است که در فاصله ۳تا۴ برابر شعاع دایره مقدار تنش ایجادشده به مقدار اولیه می رسد که حداقل اندازه مدل باید ۲ برابر بزرگترین بعد سازه زیرزمینی در مدل باشد.
مطالعات عددی در سازه های زیرزمینی
با ورود کامپیوتر در دهه ۱۹۶۰، دامنه ای از روش های عددی برای تحلیل تنش توسعه پیدا کرد و این روشها به میزان خیلی زیاد طی سال های گذشته بهبود یافته و اصلاح شده اند. روش اجزای محدود و روش تفاضل های محدود از اولین روش های تحلیل عددی تنش بودند که توسعه یافتند و هنوز از رایج ترین و قدرتمندترین روش های موجود می باشند. تحلیل های انجام شده در این تحقیق نیز با استفاده از برنامه FLAC (بر اساس روش تفاضلهای محدود) انجام گرفته است.
از جمله موارد قابل توجه، مطالعات مربوط به بروز انهدام در یک پروژه تونل در حال ساخت در یکی از کشورهای آسیایی میباشد(1995,Brox&Lee). به منظور بررسی علت خرابی، گمانه های اضافه حفر شد و شرایط ژئوتکنیکی ارزیابی گردید. حضور لنزهایی از ماسه نرم وشل (loose) در لایه ماسه سنگ در بالای تونل و حضور رگه های سست زغال سنگ مشاهده شد. سپس ارزیابی پایداری مقطع تونل با نرم افزار FLAC انجام گرفت.
مورد دیگر مربوط به بررسی اثر روش ساخت بر رفتار تونل در سنگ ضعیف می باشد (1995,Chern, Yu&Shaw). به این منظور تونلی در تایوان مورد بررسی قرار گرفت و اثر روش حفاری ( طرح اول: حفاری سه مرحله ای، طرح دوم: حفاری چهار مرحله ای) بر رفتار بلند مدت و تغییر مکان تونل مدل سازی توسط نرم افزار FLAC انجام گرفت.
خصوصیات ژئوتکنیکی محل پروژه
بر اساس نتایج حاصل از مطالعات ژئوتکنیک منطقه نزدیک به محل پروژه و چندین نقطه از جزیره، توسط مشاورین تحت نظارت سازمان عمران کیش مشاهده میشود که لایه بندی موجود در جزیره درنقاط مختلف تقریبا یکسان است و فقط عمق لایه مرجانی متغیر می باشد. به همین دلیل ابتدا نتایج به دست آمده از مطالعات گذشته مورد بررسی قرار گرفت.
آزمایش های تکمیلی جهت شناخت پارامترهای توده پیرامون حفاریها جهت بررسی توده پیرامون فضای حفاری بازدیدی از محل پروژه انجام گرفت، براساس مشاهدات بعمل آمده و با استفاده از نمونه های محلی از لایه مارن، آزمایش های مورد نیاز بر روی این لایه انجام شد. در این قسمت نتایج این آزمایش ها، طبقه بندی خاک و همچنین آزمایش های تک محوری و سه محوری CU بررسی می گردد.
با توجه به اینکه خاک مورد نظر از الک شماره ۲۰۰ عبور می کند با داشتن حدود اتربرگ نام خاک طبق طبقه بندی Unified (متحد) و AASHTO ( اداره راه آمریکا) عبارت است از:
۱) طبقه بندی A-7-5(31) : AASHTO خاک رس دار – نامناسب در راه سازی ۲) طبقه بندی Unified ( متحد): MH - OH آزمایش تک محوری برای بررسی پایداری دیواره ها از جنس مارن مورد نیاز است. به همین منظور چند نمونه از عمق حدود ۱۱m – ۱۳ m(عمق متوسط دیواره ها آزمایش شد. نتیجه آزمایش های تک محوری انجام گرفته به این صورت میباشد: (MPa)0.32 = ه مقاومت تک محوری
همچنین آزمایش سه محوری تحکیم یافته زهکشی نشده (CU) روی نمونه مارن جهت به دست آوردن مقادیرC و چسبندگی و اصطکاک) انجام گرفت. در آزمایش CU نمونه خاک اشباع ابتدا توسط فشار محصور کننده همه جانبه , تحکیم می یابد. مقدار را در حدود همان فشار همه جانبه عمق متوسط دیواره ها است در این حالت شیر زهکشی باز است). بعد از زایل شدن فشار آب حفرهای اضافی، تنش انحرافی (۵) تا نقطه گسیختگی به نمونه وارد می شود. برای رسم پوش گسیختگی حداقل دو آزمایش لازم است.
با استفاده از پوش گسیختگی و یا استفاده از رابطه بین تنش ماکزیمم و تنش همه جانبه پارامترهای مقاومتی خاک به صورت زیر تعیین می شود:
در هر حال با توجه به همه موارد فوق، بررسی های انجام گرفته وقضاوت مهندسی، پارامترهای لازم جهت تحلیل پایداری فضاهای زیرزمینی در محل پروژه برای لایه سنگ آهک مرجانی و لاية مارن به شرح زیردرنظر گرفته شده و ملاک تحلیل و نتیجه گیری در قسمت بعد قرار می گیرد.
مدل سازی و تحلیل
آشنایی با نرم افزار FLAC
نرم افزار کامپیوتری FLAC کاربرد فراوانی در علم مهندسی ژئوتکنیک، مهندسی عمران و معدن دارد. این نرم افزار به منظور تحلیل و طراحی سدهای خاکی، شیروانیها، پیهای عمیق وكم عمق آنالیز سدهای سنگریزه ای، طراحی تونل، معادن و حفاری ها مورد استفاده قرار می گیرد.
برنامه مذکور یک برنامه تحلیل عددی می باشد که از روش تفاضلهای محدود به منظور حل روابط پایه حرکت استفاده می کند. در این برنامه توده جسم به صورت تعدادی المان دوبعدی که در نقاط انتهای شبکهشان به یکدیگر متصلند مدل میشود. این نرم افزار توانایی مدل کردن معیارهای مور-کلمب و هوک - براون را دارد.
از روی پلان موجود(شکل ۱) منطقه حفاری به طور دقیق بررسی شد و در نتیجه پنج مقطع عرضی از آن انتخاب گردید. این مقاطع به صورتی انتخاب شد که تقریبا بحرانی ترین حالت ها را پوشش دهد. از میان نتایج قابل ارائه توسط FLAC، موارد: تغییر مکان، تنش اصلی ماکزیمم، تنش اصلی می نیمم (جهت پیدا کردن ضریب اطمینان شکست کششی)، تنش قائم (جهت پیدا کردن ضریب اطمینان شکست دیواره ها)، ناحیه پلاستیک و ناحیه کششی و ... بررسی گردید. سپس برای برخی مقاطع آنالیز حساسیت چسبندگی و دیگر پارامترهای مربوط به خاک و سنگ انجام گرفت. همچنین با توجه به اینکه در برخی قسمت ها امکان شکست وجود دارد، بعضی مقاطع نیز به همراه پوشش بتنی، سنگ چین موجود در محل وقاب فولادی مدل شد.
غیر از مقاطع 'B,B که در توده سنگ آهک مرجانی انجام گرفته است، در بقیه مقاطع، حفاری درون لایه مارن انجام شده و در نتیجه، سقف مرجانی و دیواره، مارنی می باشد. همچنین سربار موجود در سطح زمین به صورت پیاده رو با سربار KN/m2 ۳ محاسبه شده است. در مدل سازی با FLAC مدل مور کلمب استفاده میشود. پارامترهای مقاومتی مورد استفاده در برنامه همان پارامترهای مذکور در جدول(۱) می باشد. اعمال شرایط مرزی با بستن تغییر مکان در جهت X برای مرزهای عمودی و بستن تغییر مکان در جهت x,y برای مرز پایینی به همراه اعمال شتاب گرانشی انجام گرفته است. ضریب فشار جانبی خاک حدود ۴۳/. در نظر گرفته میشود و حالت کرنش مسطح برای المان ها وجود دارد.
معرفی مقاطع
مقطع A، به نوعی مقطع عمومی فضاها می باشد که تقریبا در بیشتر طول سه شاخه قنات دیده میشود(شکل ۲). مقاطع B', B، این مقاطع تقریبا در ابتدای فضاهای زیرزمینی واقع شده اند. مقطع C، این مقطع بين تونل های B,A ( و شامل هر دو تونل)، به صورتی است که وجود واحدهای تجاری بین دو تونل B,A این مقطع را از مقطع A متفاوت کرده است (شکل 3). مقطع D، مقطع مورد نظر از فضای مجاور تونل C انتخاب شده است.
بررسی نتایج تحلیل
به طور خلاصه در همه مقاطع سقف مرجانی پایدار است و حداقل دارای ضریب اطمینان ۳/۰ می باشد. در مقاطع B,B که حفاری به طور کامل در لایه مرجانی صورت گرفته، دیواره ها نیز مشکل پایداری ندارند و از وضعیت مناسبی برخوردار می باشند. اما در مقاطع A,C,D وضعیت دیواره مارنی نامناسب است و مشکل پایداری دارند به همین دلیل ایجاد سیستم حایل ضروری به نظر می رسد. به همین دلیل برای مقاطع مذکور پوشش بتنی به ضخامت ۲۰ و۳۵ سانتیمتر برای دیوارها، کف و سقف در نظر گرفته شد. در این قسمت خلاصه نتایج بدست آمده از این تحلیل ها و همچنین تحليل مقاطع همراه پوشش سنگ چین موجود در محل و قاب فولادی مشاهده می گردد. (مقاطع فوق با پوشش سنگ چین موجود به ضخامت ۴۵ سانتیمتر تحلیل گردید. استفاده از این پوشش بیشتر جنبه تجربی دارد و برای مدل کردن مناسب آن باید مدول مقطع دقیقا مشخص باشد. نتایج حاصل از آنالیز مقطع D شبیه به قسمت متراکم مقطع C میباشد(جداول ۲ و ۳).
