بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهسازي تنشهاي کششي و ضريب اطمينان پايداري سدهاي خاکي با استفاده از ژئوگريد و
خلاصه
بهره گيري از مصالح پليمري درسدهاي خاکي ، عمدتاً سبب پايداري وافزايش ضريب اطمينان وتثبيت بيشتر خاکريزها به ويژه در پوسته سد مي گردد.در تحقيق حاضر، مدل سازي عددي به روش اجزاء محدود برروي يک سد خاکي مسلح شده با ژئوگريد انجام مي پذيرد تا بهبودعملکرد پوسته سد خاکي در برابر کشش و تنش برشي و بهينه سازي ساير ويژگيهاي سازه اي با مدلسازي رايانه اي آشکار گردد. لذا از ژئوگريد در پوسته سد خاکي در زواياي ٠,١٥,٣٠,٤٥,٦٠,٧٥,٩٠ درجه و با فاصله ١ تا ٤ متر و با طولهاي مختلف در پوسته سد خاکي استفاده ميشود و سپس فاصله و زاويه بهينه ژئوگريدها، در نرم افزار المان محدود PLAXIS مدل سازي ميشود.نتايج تحقيق مبين آن است که قرارگيري ژئوگريدها تحت زاويه ٦٠درجه باعث افزايش ٣٢درصدي ضريب اطمينان و کاهش ٥٠ درصدي تنش کششي ميشود و هر چقدر فاصله ژئوگريدها ، نزديکتر به هم در پوسته باشند، سبب پايداري بيشتر سد، افزايش زاويه اصطکاک داخلي و در نتيجه افزايش مقاومت برشي درپوسته سد ميشود.همچنين ، ضمن کاهش خاکريزي و کاهش عمليلت خاکي در بالادست و پايين دست سد و همچنين تندتر انتخاب کردن شيب پوسته ، کاهش چشمگيري در وقت ، هزينه و مقدار مصالح مصرفي بدست مي آيد.
کلمات کليدي : سد خاکي ، ژئوگريد، تنش کششي ، ضريب اطمينان ، اجزا محدود
.1 مقدمه
عناصر پليمري ، به هدف تسليح خاکريزها، به ويژه در ساخت سدهاي خاک مسلح امروزه مورد توجه بسياري قرار گرفته اند. روش تسليح خاک در پايداري شيبها عمدتاً بر مبناي تأثيرمتقابل اصطکاکي بين خاک و عناصر مسلح کننده مي باشد(٢).استفاده گسترده از محصولات پليمري در خاکريزها منجر به ايجاد نسل جديد ژئوتکستايلها به نام ژئوگريدها (زمين شبکه )گرديده است که امروزه در تسليح سدهاي خاکي به علت مزاياي فراوان کاربرد زيادي يافته است (١).از آنجا که ژئوگريدها داراي منافذي به قطر چند سانتيمتر مي باشند مسئله ايجاد فشار آب حفره اي در هنگام بروز نيروهاي ارتعاشي وديناميکي ، به ويژه زلزله و امواج حل مي شود(٣).
همچنين به دليل شکل پذيري ژئوگريدها، سدهاي خاکي مسلح شده با اين عناصر مي توانند تغيير مکان جانبي ناشي از نيروهاي زلزله و امواج را بيشتر از سدهاي غير مسلح تحمل نمايند.علاوه بر اين ، در يک سازه خاک مسلح ، به دليل استفاده از ژئوگريدها غالباً تنش کششي کمتري در خاک بوجود مي آيد، لذا پايداري بيشتري در خاکريز فراهم مي آيد (٥). از آنجا که مسلح کننده هاي پليمري ، در محدوده غير خطي نمودار تنش – کرنش هم کارايي دارند، به علت تحمل کرنش زياد در يک نقطه به طور ناگهاني نمي شکنند و مي توانند تغيير شکل جانبي زيادي از خود نشان دهند(٤) . ساخت پوسته سد محدوديتهاي زيادي را به همراه دارد. اين محدوديتها شامل محدوديت سطح هندسي ، محدوديت نوع سرريز، محدوديت دسترسي به مصالح کافي و در برخي مواردمحدوديت ارتفاع سد ميباشد .برخي ازاين محدوديتهاراميتوان با قراردادن ژئوگريد در پوسته سد، کاهش يا برطرف نمود. قرارگيري ژئوگريدها تحت زاويه ، فاصله و طول معين و بهينه ، به هدف افزايش زاويه اصطکاک داخلي خاک ودر نتيجه افزايش مقاومت برشي خاک ، همچنين افزايش فاکتورهاي پايداري و ضريب اطمينان سد ميباشد.
بر اساس مطالعات انجام شده ، بيشترين اثر مسلح کنندها هنگامي است که در راستاي تغيرشکل نسبي ناشي از کشش قرار ميگيرند، در اين صورت نيروي کششي بيشتري را به خودجذب ميکنند(٦). تعيين موقعيت ( )به وسيله تغيراتي که در پتانسيل سطح برش اتفاق ميفتند، بدست مي آيد(٧).برخي محققين پيشنهاد کردند که زاويه بهينه عناصر تسليح ، بين مماس خط طولي سطح گسيختگي و پتانسيل سطح برش ميباشد(٨). از اين رو قرار دادن مسلح کنندها باعث افزايش مقاومت در برابر برش و کشش ميشود.نحوه ايده آل قرارگيري ژئوگريدها در پوسته سد خاکي در اشکال (١) و (٢) تشريح شده اند. هنگامي که پوسته سد خاکي به صورت غير مسلح مي باشد برش در سطح گسيختگي به صورت زير است (٩):
در رابطه فوق
Pv= نيروي عمودي در برش نرمال
زاويه اصطکاک داخلي خاک
Presisting= نيروي پايداري در برابر برش ميباشد.
شکل (١) سطح گسيختگي به صورت غير مسلح و مسلح در پوسته سدرا نشان مي دهد.
به وسيله مسلح سازي توسط عناصر پليمري تحت زاويه بهينه ، مقاومت در برابر برش افزايش و باعث کاهش نيروي برشي افقي ميشود.( شکل (٢))
رابطه اي که افزايش مقاومتي در برابر برش به واسطه استفاده از عناصر پليمري تحت زاويه بهينه را ارائه ميدهد به شرح زير يباشد(١٠):
در رابطه فوق :
PR= نيروي افقي در برش
φ = زاويه اصطکاک خاک
θ= زاويه قرارگيري ژئوگريد با خط افق ميباشد
شکل (٣) نشان مي دهد که تفاوتي بين زاويه θ وφ وجوددارد.
همچنين زاويه بهينه را ميتوان به وسيله مشتق گرفتن از رابطه (٢) نسبت به θ بدست آورد.
همان طور که در رابطه (٤) مشاهده ميشود، تعين موقعيت بهينه براي مسلح کننده ها ، بر مبناي رابطه ( φ-٩٠) = θ opt ميباشد(١١).در عمل محل گسيختگي بحراني به شدت و قدرت نيروي PR وابسته است . بهترين و بهينه ترين مکاني که مسلح کنندها ميتوانند قرار بگيرند و بيشترين تاثير را در اتصال پوسته سد انجام دهند، جايي است که بين سطح برش بحراني (نهايي ) و تغيير شکل نسبي ناشي از کشش قرار بگيرند(١٢).
در شکل (٤) که مسلح کنندها به صورت افقي براي استحکام به کار گرفته شده اند،راهنمايي براي جهت پتانسيل سطح گسيختگي در شيب مي باشد(١٣).همان طوري که مشاهده ميشود سطح گسيختگي بحراني به صورت افقي نبوده ، بنابراين موقعيت قرارگيري بهينه و تاثير بيشتر مسلح کنندها براي جلوگيري از سطح برش بحراني به صورت غير افقي ميباشد(١٤ .در تحقيق حاضربراي ارائه تاثيرات مثبت قرار دادن ژئوگريدها در پوسته سد خاکي ،استفاده از روش المان محدود همراه با مدل سازي رايانه اي يک سد خاکي با مشخصات معين وبا وجود ژئوگريدها تحت زاويه ، فاصله و طولهاي مختلف استفاده شده است و هدف ارائه يک روش بهينه است که بتوان بر مبناي آن سبب حفظ و حتي افزايش پايداري سد، ضمن کاهش عمليات خاکي در بالادست وپايين دست سد گرديد. با اجراي روش بهينه قراردادن ژئوگريد، مي توان مقدار مصالح مصرفي و زمان انجام پروژه را به طرز چشمگيري کاهش داد، و در نهايت سبب کاهش هزينه اقتصادي و قيمت تمام شده سد گرديد.
.2 مواد و روشها
٢-١-مدلسازي ژئوگريد در PLAXIS: نرم افزار PLAXIS يک نرم افزار اجزاء محدود است .روش اجزاء محدود از قديمي ترين تکنيکهاي حل دسته معادلات ديفرانسيل با مقادير اوليه و مقادير مرزي ميباشد. در اين روش مقادير پارامترهاي ميدان در هر المان با بهره گيري از توابع ويژه به مقادير پارامترها در گره هاي المان مرتبط مي شوند. فرمول بندي روش اجزاء محدود بر اساس مينيمم کردن انرژي محلي يا سراسري است .
برنامه هاي اجزاي محدود، اغلب ماتريس المانها را ترکيب کرده و يک ماتريس سختي سراسري بزرگ را ميسازد.روش بدست آوردن معادلات تفاضلي المانهايي که داراي شکل دلخواه مي باشند توسط ساير محققين ارائه شده است و بر اين اساس ميتوان هر شکل دلخواهي براي المانها تعريف نمود(٥). يکي از توانايي هاي مهم برنامه ، امکان تحليل المانهاي ژئوگريد است . ژئوگريدها مي توانند بصورت مستقل ، در داخل محيط پيوسته ايجاد گردند. در مدلسازي ، ژئوگريد يک عنصر سازه اي است که تنها ميتواند از خود مقاومت کششي داشته باشد و در فشار و خمش مقاومتي ندارد.
ژئوگريدهاي ايجاد شده در داخل محيط پيوسته ،مي توانند با محيط پيوسته اندرکنش داشته باشند. هر المان محدود ژئوگريد داراي دوگره در انتها مي باشد. مدل سازي در PLAXIS بر مبناي مدل موهر- کولمب انجام مي پذيرد که پارامترهاي پنج گانه آن را ميتوان از آزمايشات روي نمونه هاي
خاک به شرح زير بدست آورد:
E=مدول يانگ
υ= نسبت پواسون
φ=زاويه اصطکاک داخلي
C=چسبندگي
