بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از مشکلات موجود در لولههای تحتفشار مدفون در خاک، جابجاییهای ایجادشده در لوله و خاک به دلیل فشار آب داخل لوله است. اگر این جابجاییها از حد مجاز بیشتر شوند، موجب ناپایداری سازه میگردند. این مسئله در لولههای تحتفشار بالا، نظیر لولههای انتقال آب از ایستگاههای پمپاژ، اهمیت پیدا میکند. گاهی در اثر عواملی مانند قطع و وصل ناگهانی پمپ و یا باز و بسته شدن سریع دریچهها و شیرهای تنظیمی جریانهای دینامیکی در این سازه ایجاد میشود. در این حالت، آب داخل لوله امواجی را بهصورت ضربهای به جدارههای اطراف وارد میسازد و باعث کرنشهایی در پوشش لوله و به تبع آن خاک اطراف خواهد شد. در این مقاله با در نظر گرفتن اندرکنش بین سازه و سیال به مدلسازی عددی لوله تحتفشار به روش اجزای محدود پرداخته میشود. در ادامه با ایجاد فشارهای پایدار و گذرا درون لوله، جابجاییهای رخ داده در لوله و بستر، در حالت احداث بدون حفر ترانشه بررسی میشود. تحلیل نتایج نشان میدهد که با ایجاد فشارهای گذرا، جابجاییها قابلتوجه است.
مقدمه
امروزه استفاده از لولهها و دیگر سازههای زیرزمینی جهت انتقال و توزیع آب برای مصارف شهری، صنعتی و تولید انرژی رو به افزایش است. یکی از مهم-ترین مسائل طراحی لولههای تحتفشار، وقوع جابجاییهایی در جدار، ناشی از فشار داخلی زیاد است. این پدیده در هر دو وضعیت لولهگذاری، هم به صورت حفر با ترانشه و هم حفر بدون ترانشه اتفاق میافتد. در صورتی که احداث با حفر ترانشه صورت بگیرد، به دلیل دستخوردگی بستر و عدم دستیابی به تراکمهای مناسب خاک در مدفون کردن لوله، مواردی نظیر کاهش تنش مصور کننده رخداده، درنتیجه روباره لازم جهت تأمین ایمنی و پایداری سازه فراهم نخواهد شد.
بهعبارتدیگر ممکن است سازه در حالت جریانهای پایدار در داخل لوله دچار آسیب نگردد ولی با بروز فشارهای دینامیکی با مشکلاتی مانند ترکخوردگی جداره و یا لغزش-های شدید روبهرو شود درنتیجه باعث اختلال در عملکرد خط انتقال خواهد شد. ازجمله عوارض ناشی از این پدیده میتوان به نشت آب، تخریب خط انتقال و تغییر مکانهای زیاد در سطح زمین اشاره نمود .[1] هنگامیکه احداث خط لوله بدون حفر ترانشه صورت بگیرد میزان بههم خوردگی تنشهای درون خاک به مقدار قابل توجهای کاهش مییابد ولی همچنان تأمین میزان روباره موجود روی لوله برای مقابله با آسیب ناشی از فشارهای دینامیکی امری حیاتی تلقی میشود. تخمین روباره لازم برای مقابله با فشار هیدرولیکی سیال در داخل لوله در دوحالت حفر با ترانشه و بدون ترانشه، برای طراحی اولیه لوله تحتفشار با استفاده از رابطه - 1 - انجام میگیرد.[2] همانطور که در رابطه - 1 - مشخص است، معیار طراحی بر اساس هد استاتیکی آب داخل لوله است. این در حالی است که ممکن است لوله در فشارهای استاتیکی دچار جابجاییهای چندانی نشود، ولی درصورتیکه فشارهای دینامیکی در آن به وجود آیند، جابجاییهای زیادی در لوله بتنی ایجاد گردد. بیشتر طراحان هنگامیکه لولهگذاری بهصورت حفر با ترانشه انجام شود، پس از مرحله جاگذاری لولهها با پر کردن مجدد ترانشه میزان روباره لازم را با در نظرگیری رابطه - 1 - تأمین میکنند.
ازآنجایی که ممکن است در محیطهای کارگاهی رسیدن به تراکم خاک موردنظر جهت پر کردن مجدد ترانشه بنا به دلایل مختلفی بهدرستی صورت نگیرد، لذا احتمال آسیب رسیدن به مجموعه در صورت وقوع فشارهای دینامیکی، وجود خواهد داشت. در حالتیکه لولهگذاری بدون حفر ترانشه و در عمق تعیینشده توسط رابطه - 1 - جهت تأمین سرباره لازم انجام شود، احتمال آسیب به خط انتقال به دلیل حفظ تنشهای محصورکننده اطراف لوله کمتر خواهد بود. در آنالیز و طراحی هر سازهای ابتدا باید بارهای وارد بر آن را تعیین نمود. یکی از بارهای مهم وارد بر لولههای آببر، نیروی ناشی از ضربه قوچ و امواج فشاری گذرا است. این پدیده هنگامی در خطوط انتقال آب تحتفشار اتفاق میافتد که تغییر سرعت در جریان سیال داخل مجرا، موجب تغییر فشار و تولید موج فشاری گردد. تغییر سرعت در مجاری تحتفشار آب در اثر عوامل مختلفی ازجمله بسته شدن ناگهانی دریچهها و شیرهای تنظیمی ایجاد میشود که درنتیجه آن، امواج فشاری در لوله پدیدار خواهد شد. هر چه دریچه با سرعت بیشتر بسته شود، هد فشاری بیشتری در بالادست دریچه ایجاد میگردد. در شکلهای - 2 - و - 3 - بارهای وارده بر پوشش همچنین تنشهای رخداده در اثر این نیروها نشان دادهشده است. انتخاب فرآیند حفاری با ترانشه یا بدون ترانشه بر روی فشار وارده از طرف خاک - - تأثیر خواهد گذاشت لذا مقدار این فشار محصورکننده
باید بهگونهای باشد تا لوله بتنی در برابر فشارهای دینامیکی کمترین جابجایی را از خود نشان داده و خط انتقال دچار آسیب نگردد. در تحقیق پیشرو، لوله بتنی تحتفشار، مدفون در خاک با روباره معین در حالت حفر بدون ترانشه با استفاده از نرمافزار آباکوس و به روش اجزاء محدود در سه حالت الف - حفر و لولهگذاری، ب - برقراری جریان پایدار ج - برقراری جریان دینامیکی، مدلسازی خواهد شد. این فشار دینامیکی ناشی بسته شدن ناگهانی شیرهای موجود در مسیر است. در انتها مقدار جابجاییهای رخداده در پوشش بتنی و خاک با توجه به روباره معین، موردبررسی قرار خواهد گرفت و اعتبار رابطه - 1 - جهت طراحی اولیه لولههای تحتفشار مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت.
2. مدلسازی عددی لوله تحتفشار
نرمافزار آباکوس یکی از قدرتمندترین نرمافزارهای اجزا محدود است که در چند دهه اخیر استفاده از آن در مسائل مهندسی رو به گسترش بوده است. با توجه به شرایط موجود در مسئله و در نظر گرفتن اندرکنش بین سازه و سیال، آباکوس نرمافزاری مفید جهت تحلیل است. به این منظور یک مقطع عرضی از لوله تحتفشار در حالت دوبعدی با مشخصات زیر مدلسازی شده است. هندسه توده خاک و پوشش در شکلهای - 4 - و - 5 - نشان دادهشده
است. لازم به ذکر است که لوله در تراز افقی در نظر گرفته شده است - - . اطلاعات هندسی مدل عددی موردبررسی در جدول - 1 - ارائه شده است. خصوصیات ژئومکانیکی توده خاک برای مدلسازی با توجه به ویژگیهای خاک بسترهای شهری، رس عادی تحکیم انتخابشده است - جدول . - 2 انواع متداول پوششها در لولههای هیدرولیکی؛ بتن غیرمسلح، بتن مسلح، و رویه فلزی است .[5] اولین گام در انتخاب پوشش مناسب به مواردی از قبیل شرایط عملکرد، زمینشناسی و آب زیرزمینی، امکان اجرا و شرایط اقتصادی بستگی دارد. در یک خط لوله ممکن است به اقتضای شرایط، در قسمتهای مختلف از پوششهای متفاوتی استفاده شود. بهعنوانمثال در یک خط، در بخشهای تحتفشار از پوشش فولادی استفاده شود حال آنکه در قسمتهای دیگر آن، پوشش بتن مسلح یا بتن معمولی خواهد بود. در مقاطع در تماس با لایههای با آبگذری بالا و یا درصورتیکه لوله از مصالح تبخیری و یا گچ عبور کند، لازم است، پوشش آببند باشد. درحالیکه در سایر قسمتها این الزام وجود ندارد. ویژگیهای پوشش بتنی با استفاده از خصوصیات بتن مورداستفاده در پوشش لولههای آببر انتخابشده است جدول . - 3 -
