بخشی از مقاله
چکیده
در طول زلزله های گذشته ، چندین ساختمان ها که بر روی شمع ها قرار داشتند دچار خسارت و یا در آستانه گسیختگی قرار گرفتند. از آنجایی که بسیاری از آسیب های وارده به پی های شمعی که موجب بروز خسارات مالی سنگین زیادی ناشی از روانگرا شدن خاک ماسه ای فونداسیون و تحمیل بارهای وارده به پی شمعی، شده است، مطالعه و بررسی مکانیسم روانگرایی خاک ماسه ای از اهمیت بالایی برخوردار است. بنابراین در این تحقیق، به ارزیابی رفتار پی های شمعی در خاک قابل روانگرا و غیرقابل روانگرا با استفاده از مدلسازی عددی پرداخته خواهد شد. بدین منظور با توجه به تحلیل دینامیکی و انتظار وقوع تغییرشکل های بزرگ از نرم افزار اجزا محدود Openseeʼs استفاده خواهد شد تا تأثیر نوع خاک - پارامترهای مقاومت برشی - ، بار قائم، طول شمع، حداکثر شتاب زلزله و ضخامت لایه روانگرا بر روی طرفیت باربری شمع در حالت دینامیکی مورد ارزیابی قرار گیرد. نتایج نشان داد با افزایش قطر بیشتر از 80 سانتیمتر تاثیر چندانی در کاهش جابجایی افقی در طول شمع ندارد. اما از قطر 60 سانتیمتر به 80 سانتیمتر مقدار جابجایی تا عمق 4 متر را به اندازه 50 درصد کاهش می دهد . با افزایش حداکثر شتاب زمین در زمین های شیب دار جابجایی ها تا 5 برابر افزایش می یابد، در حالیکه در زمین های مسطح این افزایش حدود 3 برابر است. نتایج تحقیق روی افزایش طول شمع نشان داد که طول شمع از عمق بیش از 8 متر، بار دینامیکی تأثیر چندانی بر کاهش جابجایی افقی ندارد. ضخامت لایه روانگرا به میزان قابل توجهی ظرفیت باربری را کاهش می دهد که بسته به نوع زلزله و خاک متفاوت است. تغییر مکان افقی - جابجایی - در خاک های سیلتی تقریبا در تمام حالت ها به میزان 10 درصد کمتر از خاک ماسه است.
کلمات کلیدی: زلزله , روانگرایی , قطر شمع ,ماسه , سیلت
.1 مقدمه
استفاده از پیهای عمیق یا شمع طی دهه اخیر افزایش قابلتوجهی در سطح کشور پیداکرده است. علاوه بر اجرای سازههای معمولی و متداول همچون پلسازی که درگذشتههای دورتر نیز از پیهای عمیق در ساخت آنها استفاده میگردید، گسترش بنادر جنوبی و شمالی کشور، اجرای سازههای فراساحل در منطقه خلیجفارس و همچنین سرمایه گذاری کلان در بخش منابع نفتی و پتروشیمی در سواحل جنوبی نیاز به استفاده از شمعها را بهطور چشمگیری افزایش داده است. از طرفی ماسههای شل و بدون چسبندگی با سیلت کم که در زیر سفره آب زیرزمینی قرار دارند، تکانهای شدید زلزله موجب افزایش فشار آب منفذی یا روانگرایی میشوند.
افزایش فشار آب منفذی منجر به از بین رفتن قابلتوجه مقاومت و سختی میشود . بسته به پیشامد روانگرایی، فونداسیون شمعی ممکن است در معرض تکانهای قابلتوجهی قرار گیرد. درحالیکه خاک در حالت روانگرایی کامل قرار
دارد و سختی خاک در حالت مینیمم میباشد، در طول تکان خوردن، شمع مستعد هرگونه آسیب ناشی از تکانهای جدی و یا حتی ترک میباشد.
محققان با مشاهدات، آزمایشهای صحرایی و تکنیکهای عکسبرداری میزان و محل اصلی خرابی شمعها، میزان نشست و دوران شالودهها و میزان جابجایی خاک محل پس از وقوع روانگرایی را بررسی کردهاند. برخی از نتایج این تحقیق به صورت زیر است :
ویلسون و همکارانش [1 ] - 2000 - با انجام چند نمونه آزمایش محوری بر روی شمع منفرد و گروه شمع خاک ماسهای روانگرا نشان دادند که تراکم نسبی، فشار آب حفرهای و نرخ بارگذاری اثر قابل توجهی بر مقاومت جانبی خاک دارند. آنها به منظور بررسی فشار جانبی وارد بر شمعها و منحنی p-y یک سری ازمایش سانتریفیوژ بر روی شمعهای تکی و گروهی 2x1 - و - 3x3 در خاکهای مستعد روانگرایی انجام دادهاند. مهمترین نتایج این آزمایش عبارت است از:
.1فشار جانبی وارد بر شمعها در شرایطی که تغییرشکلهای بزرگ رخ میدهد از مقادیر پیشنهادی API - 1993 - کمتر میباشد. .2 با افزایش دامنه زلزله نیروهای وارد بر شمع افزایش مییابد. .3 با افزایش تراکم ماسه لنگرهای ایجاد شده در شمع افزایش مییابد.
فین و همکارانش، [2] - 2002 - به بررسی رفتار شمع در مقابل لرزش به همراه افزایش فشار آب حفرهای در خاک روانگرا پرداختند و نشان دادند که خرابی شمع در مناطق بحرانی مثل سر شمع و در مرز بین خاک روانگرا و غیر قابل روانگرا اتفاق می افتد.
آبدون و همکارانش [3 ] - 2003 - با انجام آزمایش سانتریفیوژ پاسخ شمعهای تکی و گروهی را در اثر تغییرشکل جانبی خاک بررسی کردهاند. بررسی اثر لایه غیر روانگرای سطحی در توزیع تنش شمع، اثرات نیروها و لنگرهای القا شده به شمع در اثر سازه فوقانی و همچنین اثرات همزمان بارهای کینماتیکی و اینرسی در این مطالعه مورد توجه قرار گرفته اسست. مهمترین نتایج این آزمایش عبارتند از:
.1 در حالت وجود لایه غیر روانگرای سطحی فشار مقاوم اعمالی از خاک غیر روانگرا نقش به سزایی بر روی لنگر خمشی دارد. .2 در همه نمونهها حداکثر لنگر خمشی در مرز لایه روانگرا و غیر روانگرا به وجود میآید. این نتیجه در مطالعات صحرایی نیز مشاهده شده است.
رولینز و همکارنش - [4 ] - 2005 با انجام آزمایش بار جانبی بر روی شمع منفرد و گروه شمع در خاک روانگرا برای ارزیابی اثرات اندرکنش خاک-شمع به این نتیجه رسیدند که پس از روانگرایی، رفتار گروه شمع تقرباًی شبیه به رفتار شمع منفرد میباشد.
یوزوکا و همکارانش [5 ] - 2007 - به مدلسازی عددی ساختمان پنج طبقه که در زلزله 1995 کوبه ژاپن آسیب دیده بود، نشان دادند که شمعها قبل از روانگرایی کامل خاک، هنگامیکه تغییر مکان افقی ساختمان به چند ده سانتیمتر میرسد آسیب میبینند.
چنگ و همکاران - [6 ] - 2009 با استفاده از نرمافزار OpenSees رفتار شمعها در خاکهای روانگرا را مورد مطالعه قرار دادند. در مدلسازی آنها از فرمولاسیون کاملاً همبسته u-p-U برای شبیه سازی خاک اشباع و از مدل رفتاری Dafalias & Manzari برای اسکلت خاک استفاده شد. در این تحقیق برای مدلسازی شمع از المان تیر-ستون الاستیک و برای اتصال المان شمع به خاک اطراف از همین نوع المان اما با سختی بالا 10000 - برابر المان شمع - استفاده شده است؛ این المانها هر یک از گرههای شمع را به گرههای خاک اطراف متصل میکند. این محققین مراحل ساخت را بصورت واقعی در مدلسازی رعایت کردهاند و سپس به مطالعه سیستم شمع و خاک پرداختهاند و تغییرمکان افقی و قائم زمین را بررسی کردهاند.
روایتیس و پیتیلاکیس - [7 ] - 2009 در مقاله به بررسی سیستمهای کوپله خاک و شمع پرداختند. در این مقاله پاسخ الاستودینامیک یک سیستم کوپله خاک و شمع به بارگذاری لرزهای با استفاده از یک مدل المان محدود سه بعدی مورد
تحلیل قرار گرفته است. سیستم مورد بررسی در این مقاله از یک شمع تشکیل شده که بر روی آن یک جرم یک درجه آزادی قرار گرفته است. همچنین خاک از دولایه ویسکوالاستیک و صخرهای تشکیل شده است. مطالعه پارامتریک در حوزه فرکانس قرار گرفته است. هدف اصلی این مقاله تعریف فرکانس شبه طبیعی سازه است.
فرانسسکا - [ 8 ] - 2009 طی مقاله ای یک روش معادل جهت تخمین حداکثر تأثیر اندرکنش جنبشی روی شمع تحت شرایط اعمال بار جانبی لرزه ای ارائه داد.
سو و همکارانش - [9 ] - 2013 رفتار دینامیکی گروه شمع در خاک روانگرا را با استفاده از آزمایش میز لرزه و نرم افزار 3D-Flac، بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که قطر شمع و نسبت سختی اولیه خاک و شمع به طور قابل توجهی بر لنگر خمشی ماکزیمم شمع اثر میگذارد اما جرم سازه تقرباًی اثری بر روی لنگر خمشی ماکزیمم شمع ندارد.
چاکرابورتی و کومار [10 ] - 2013 - درمقالهای به بررسی ظرفیت باربری شمع در خاکههای رسی نرم زهکشی نشده
پرداختند. در این مقاله پارامترهای ظرفیت باربری شمع نظیر p N برای شمعهای تحت بار محوری محاسبه نموده است.
نتایج این مقاله برای L/D های مختلف شمع و پارامترهای مقاومت برشی خاک ارائه شده است. نتایج این مقاله نشان میدهد که پارامتر ظرفیت باربری شمع با افزایش L/D و اصطکاک داخلی خاک افزایش مییابد.
.2 شبیه سازی عددی
مدل سازی دقیق پاسخ خاک از اهمیت ویژهای برخوردار است که نیازمند در نظر گرفتن اندر کنشهای فاز جامد و سیال توده خاک و خصوصیات رفتاری خاک ماسهای اشباع میباشد با توجه به پیچیدگی خاصی که هر یک از موارد بالا دارند استفاده از یک روش تحلیل مناسب الزامی میباشد. برای مدل سازی پاسخ خاک روانگرا توده خاک باید به صورت یک محیط پیوسته و با در نظر گرفتن فازهای جامد و سیال مدل سازی گردد - تحلیل تنش موثر - . برای این منظور میتوان از فرمولاسیون همبسته یا غیر همبسته استفاده کرد. فرمولاسیون همبسته، فیزیک حاکم بر محیط متخلخل اشباع را به طور کامل بیان میکند و تحلیلهایی که در آن از تحلیل همبسته استفاده شده است نتایج بهتری میدهد - شهیر، .>11@ - 1390
برنامه اجزای محدود OpenSees* نرم افزار جامعی برای مدل سازی سیستمهای سازهای و ژئوتکنیکی میباشد.
در این تحقیق نیز از فرمولاسیون همبسته برای مدل سازی خاک اشباع استفاده شده است. تئوری ریاضی حاکم بر محیط متخلخل اشباع با یک فاز سیال برای اولین بار توسط بیوت . [12 ] - Biot., 1962 - برای بررسی تحکیم سه بعدی خاک اشباع الاستیک ارائه شد فرضیات Biot شامل رفتار الاستیک خطی، همسان بودن خاک، صرف نظر از تراکم پذیری آب و اثر تنشهای اولیه و همچنین استفاده از رابطه دارسی برای جریان سیال میباشد.
با استفاده از نتایج آزمایشهای سه محوری مونوتونیک و سیکلی [13 ] Arulmoli - 1992 - و همچنین آزمایش سانتریفیوز [14 ] Taboada - 1995 - بر روی مدلهای مسطح و شیب دار کالیبره شده است. در برنامه OpenSees [15 ] - Mazzoni, et al., 2005 - این مدل رفتاری تحت عنوان Pressure dependentMultiYield موجود می-باشد. شمع در نرم افزار Opensses با المان Linear beam element مدل می شود. و با اختصاص طول و قطر شمع و مدول یانگ شمع در نرم افزار مدل سازی می شود. البته نیازی به مدل سازی المان اندرکنش خاک و شمع نیست، چون خود مدل رفتاری قابلیت مدل کردن اندرکنش خاک وشمع با توجه به مشخصات خاک و شمع را دارد.
هندسه مدل در شکل - 1 - نشان داده شد و زلزله های مختلف در نظرگرفته شده در شکل - 2 - زیر نشان داده شده است و مشخصات فیزیکی و مکانیکی مصالح خاک نیز در جدول - 1 - ارائه شد. همانطور که در شکل بالا نشان داد شده ابعاد طولی
