بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه سازههای زیرزمینی نقش بسیار مهمی را در برنامههای توسعه یک کشور ایفا میکنند و به جرأت میتوان آنها را از جمله شریانهای حیاتی جوامع به حساب آورد. حفریات زیرزمینی در بسیاری از فعالیتهای عمرانی و معدنی از جمله راه و راه آهن، خطوط انتقال آب، گاز و فاضلاب، نیروگاههای زیرزمینی، ذخیرهسازی در سازههای زیرزمینی و برنامهریزی برای ساخت نیروگاههای زیرزمینی افزایش یافته است.
با توجه به هزینههای سنگین حفر این سازهها، زماننسبتاً طولانی ساخت و همچنین ارزش تأسیسات موجود در آنها، توجه به حفظ پایداری سازه اهمیت ویژهای دارد. یکی از جنبههایی که در حفظ پایداری این قبیل سازهها باید در نظر گرفته شود، حفاظت آنها در برابر بارگذاری ناشی از انفجارهای سطحی میباشد. در این تحقیق، پایداری تونلی فاقد سیستم نگهداری به قطر 10 متر که در توده سنگی با کیفیت متوسط در محیط پیوسته - فاقد درزه - حفر شده است با استفاده از مدلسازی عددی و نرمافزار FLAC مورد بررسی قرار گرفته است.
برای این منظور، تونل در اعماق گوناگون مدل و پایداری آن در دو حالت استاتیکی و دینامیکی تجزیه و تحلیل شده است. در حالت دینامیکی، بار دینامیکی ناشی از انفجار 10 تن TNT که بر روی سطح زمین دقاًی در بالای تونل منفجر میشود، به مدل اعمال شده است. نتایج نشان میدهد، تونل در حالت استاتیکی در عمقی بین 20 تا 30 متر پایدار است در حالیکه در حالت دینامیکی عمق پایداری تونل بین 50 تا 60 متر است. همچنین مشاهده شد که هر چه عمق تونل افزایش یابد، تأثیر بار دینامیکی بر تونل کمتر میشود به گونهای که در اعماق بیش از 60 متر تأثیر بار دینامیکی ناشی از انفجار بر پایداری تونل تقرباًی ناچیز است که میتوان آن را به میرایی موج انفجار نسبت داد.
.1 مقدمه
امروزه سازههای زیرزمینی نقش بسیار مهمی را در زمینههای مختلف عمرانی ایفا میکنند . با توجه به اینکه حفر و احداث این سازهها بسیار زمانبر و پرهزینه است و ممکن است تجهیزات و تأسیسات مهمی در آنها نصب شوند، توجه به مسائل پایداری این سازهها اهمیت ویژهای پیدا میکند.
بررسی پایداری این قبیل از سازهها تخت بارهای استاتیکی از دیر باز مورد توجه قرار گرفته است و در طراحی این سازهها انجام میپذیرد. اما ممکن است سازه علاوه بر بارهای استاتیکی تحت بارگذاری دینامیکی نیز قرار گیرد. بارهای دینامیکی که بر سازه اثر میکند ممکن است بر اثر عوامل مختلفی از قبیل زلزله، انفجار بمب، انفجارهای انجام شده با هدف عملیات عمرانی و غیره به وجود آید. در این صورت لازم است که پایداری سازه در این شرایط مورد بررسی قرار گیرد یا به عبارت دیگر تحلیل دینامیکی بر روی سازه انجام پذیرد. به ویژه زمانی که سازه زیرزمینی دارای اهمیت استراتژیک است، از دیدگاه پدافند غیر عامل بررسی پایداری سازه تحت بارگذاری ناشی از انفجار پرتابهها و بمبها از اهمیت ویژهای برخوردار میشود.
انتشار امواج ناشی از انفجارهای شدید در توده سنگ بسیار پیچیده است. به همین علت تحلیل دینامیکی سازههای زیرزمینی که در توده سنگ احداث میشوند، نیز بسیار پیچیده است. به ویژه زمانی که فرایند بارگذاری دینامیکی ناشی از انفجار یک بمب باشد، بر پیچیدگی موضوع افزوده میشود.
از کارهای انجام شده در راستای تخریب ناشی از انفجار بمب یا موشک میتوان به کارهای محققانی از جمله شنگتیان و زییوان [1]، ما و همکارانش [2]، چن و ژائو [3]، فن و همکارانش [4]، موریس و همکارانش [5] و لو [6] اشاره کرد.
با توجه به گسترش استفاده از سازههای زیرزمینی و اهمیت استراتژیک ایران در منطقه خاورمیانه و اهمیت پدافند غیرعامل در ایران، در این مقاله روند تحلیل دینامیکی یک سازه زیرزمینی تحت بارگذاری ناشی از انفجار سطحی، با استفاده از روشهای عددی انجام شده است و عمق بهینه تونلی به عنوان سازههای پدافند غیر عامل تحت بارگذاری انفجاری با استفاده از مدلسازی عددی مورد بررسی قرار گرفته است.
منظور از عمق بهینه حداقل عمقی است که در آن عمق اثرات ناشی از بارهای انفجار سطحی به حداقل برسد. بدین منظور تونلی دایرهای شکل به قطر 10 متر در عمقهای 20، 30، 40، 50 و 60 متری تحت بارهای انفجاری سطحی معادل انفجار 10 تن TNT مدلسازی شده است که جهت مدلسازی از نرمافزار دو بعدی تفاضل محدود [7] FLAC2D استفاده شده است. به منظور مدلسازی بار انفجاری بر روی سازههای زیرزمینی در ابتدا تحلیل استاتیکی انجام شده است تا وضعیت مدل قبل از اعمال بارهای انفجاری بررسی شود و سپس با اعمال بارهای انفجاری و اعمال تغییراتی، تحلیل دینامیکی انجام شده است.
.2 تحلیل استاتیکی مدل
برای تحلیل استاتیکی مدل قبل از تحلیل دینامیکی از مشخصات توده سنگ یک تونل حفر شده در شهر تهران استفاده شده است. مشخصات زمین مدل شده در نرم¬افزار عددی مطابق جدول 1 میباشد . مدل رفتاری که برای توده¬ سنگ در نظر گرفته شده است، مدل الاستو - پلاستیک با تئوری شکست موهر - کلمب میباشد.
این مدل رفتار سنگ در بخش الاستیک را نفی نمیکند بلکه در حالتی که رفتار آنها از حالت الاستیک خارج شود و به منطقه پلاستیک برسد، این بخش را شامل میگردد. همانطور کهقبلاً گفته شد، هدف پیدا کردن حداقل عمق مجاز برای تونل می¬باشد، که در آن صدمات وارده از انفجار بمبی معادل 10 تن TNT به کمترین مقدار خود برسد. از اینرو مدلهای مختلفی از تونل در اعماق متفاوت در شرایط استاتیکی و بدون اعمال بارهای انفجاری ساخته شد.
همچنین برای مدنظر قرار دادن بدترین حالن ممکن و نیز داشتن ضریب ایمنی بالاتر - طراحی محافظه کارانه - از سیستم نگهداری برای تونل استفاده نشده است. عرض و ارتفاع مدل به ترتیب 80 و 90 متر در نظر گرفته شده است. نتایج حاصل از مدلسازی شامل وضعیت جابجایی نقاط اطراف تونل و همچنین ناحیه پلاستیک ایجاد شده ناشی از حفر تونل مورد بررسی قرار گرفته و در جدول 2 آورده شده است.
جدول -1 پارامترهای مورد نیاز توده سنگ جهت تحلیل در نرمافزار [8] FLAC2D
جدول -2 نتایج عددی حاصل از تحلیل استاتیکی تونل دایرهای بعد از حفر تونل در اعماق مختلف [8]
.3 تحلیل دینامیکی مدل
پس از پایان تحلیل استاتیکی، لازم است که تغییراتی در مدل به وجود آید تا آماده مدلسازی در شرایط دینامیکی شود. این تغییرات شامل اعمال شرایط مرزی جدید و اعمال بارگذاری دینامیکی و میرایی مدل است. در ادامه مراحل مدلسازی دینامیکی شرح داده میشود.
.1-3 ابعاد مدل و شبکهبندی در حالت دینامیکی
یکی از نکات مهم در تحلیل دینامیکی تعیین ابعاد عرضی مدل است. در ساخت شبکه المانها، سه اصل اساسی باید مد نظر قرار گیرند. نخست اینکه ابعاد مدل باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا تأثیر مرزها بر روی رفتار مدل به حداقل برسد و دوم این که، در مناطق حساس - مثلاً نقاط گوشه دار سازه و محیط، نقاط بارگذاری و غیره - تعداد المانهای کافی جهت رسیدن به جواب با دقت لازم فراهم شود. معیار سوم گذردهی امواج از داخل محیط است که تأثیر مستقیم بر روی شبکه-بندی و هندسه مدل میگذارد.
مسئلهای که در مورد شبکهبندی تحلیلهای دینامیکی مطرح میگردد، تأمین ابعاد مناسب نواحی جهت کنترل گذردهی امواج میباشد. در اثر شرایط مدلسازی ممکن است در تحلیلهای دینامیکی، انحراف عددی در انتشار امواج ایجاد گردد. کولمیر و لایسمر نشان دادند که برای حصول اطمینان از انتقال صحیح امواج، اندازه ناحیه بزرگترین بعد ناحیه - باید کوچکتر از 18 تا 110 طوج موج ایجاد شده توسط بالاترین فرکانس امواج ورودی به سیستم باشد. در این تحلیل، ابعاد المانها 18 طول موج در نظر گرفته شده است و همچنین عرض مدل 80 متر و ارتفاع مدل 90 متر در نظر گرفته شده است .
.2-3 تعیین مرزهای دینامیکی در مدل
به منظور جلوگیری از انعکاس امواج به داخل مدل از مرزهای ویسکوز در پایه مدل استفاده شده است. بدین ترتیب امواج انفجاری پس از برخورد با پایه مدل توسط میراگرها جذب شده و از انعکاس مجدد آن ممانعت به عمل میآید. همچنین در مرزهای جانبی از مرزهای میدان آزاد استفاده شده است. با شکلگیری شرایط میدان آزاد که معادل با مدلی با ابعاد بینهایت است، امواج بدون هیچ اغتشاشی منتشر میشود. در شکل 1 شرایط مرزی مدل شامل مرزهای ویسکوز و میدان آزاد که در این تحقیق استفاده شده است، مشاهده میشود.
