بخشی از مقاله
خلاصه
بررسی رفتار لرزه ای سدهای خاکی یکی از مهم ترین موضوع های قابل طرح در دانش ژئوتکنیک است. در بررسی رفتار سدها در برابر پدیده ی زلزله، بهترین روش، تدقیق مدل های عددی و تحلیلی با پاسخ های واقعی ثبت شده در بدنه سد است. بدین منظور سد خاکی کرخه که در فاصله 24 کیلومتری شمال غرب اندیمشک در استان خوزستان واقع است، در نظر گرفته شده است.
با در دسترس بودن شتاب نگاشت های ثبت شده زلزله به عنوان محرک ورودی توسط شتاب نگار تکیه گاه سد کرخه، تحلیل عددی بدنه و پی سد مذکور در محدوده دو بعدی صورت پذیرفته و موضوع اندرکنش دینامیکی سد با پی بررسی شده است. تکیه اصلی این تحقیق بر روی مطالعه محدودیت نرم افزارهای موجود مبتنی بر روش اجزای محدود بوده است که به منظور تحلیل مساله اندرکنش سد-فونداسیون از جرم فونداسیون صرفنظر می کنند.
صرفنظر نمودن از جرم پی باعث تغییر در پاسخ دینامیکی سد خاکی شده و لذا این روش دارای پاسخ دقیق نخواهد بود. بر این اساس با در دسترس بودن شتاب نگاشت های ثبت شده در نقاط مختلف سد مذکور، جرم های متعددی برای پی سد در نظر گرفته شده و تحلیل های عددی انجام شده است. سپس پاسخ های بدست آمده از تحلیل عددی با پاسخ های ثبت شده مقایسه شده است که در خصوص میزان در نظرگیری جرم پی با استفاده از معیارهای مختلف بحث شده است.
نرم افزار المان محدود مورد استفاده، Plaxis-V8.5 می باشد. با توجه به معیارهای مختلف در نظر گرفته شده در این تحقیق و با توجه به ضعیف بودن محرک ورودی ثبت شده و فرض رفتار خطی سد، به نظر می رسد پی با جرم زیر 50 درصد - در حدود 30 الی 40 درصد - نزدیک ترین پاسخ به رفتار ثبت شده سد را به همراه داشته باشد.
-1 مقدمه
بررسی رفتار سدهای خاکی احداث شده در مناطق لرزه خیز نشان می دهد که برخی از آن ها بر اثر زلزله خسارات و یا گسیختگی های موضعی را متحمل شده اند. تحلیل دقیق دینامیکی سدهای موجود و در حال احداث، موضوع پیچیده ای است که دلیل آن عوامل بسیاری است که بر پاسخ لرزه ای سدها اثر می گذارد.
برخی از این عوامل شامل: خواص مصالح از جمله رفتار غیرالاستیک خاک در هنگام حرکات شدید زمین1،هندسه سد، شکل دره، بارگذاری دینامیکی و مقوله اندرکنش بدنه-مخزن-پی2 سداست. معمولاً در بررسی رفتار لرزه ای سدهای خاکی از روش های عددی استفاده می شود که بسته به دقت این روش ها و همچنین شرایط ساخت و اجرای سد، رفتار پیش بینی شده در مقابل زمین لرزه با رفتار واقعی می تواند متفاوت باشد.
به منظور بررسی درصد انطباق رفتار واقعی سد با مقادیر فرض شده در روند طراحی و تحلیل، می توان با بررسی های آزمایشگاهی و یا آزمایش های ارتعاشی درجا بر روی سدهای خاکی، پارامترهای ارتعاشی بدنه سدها را به دست آورد و با مقادیر حاصل از تحلیل مقایسه کرد.
تأکید ویژه این تحقیق بررسی محدودیت نرم افزارهای موجود مبتنی بر روش اجزاء محدود است که به منظور تحلیل مسئله اندرکنش سد-پی از جرم پی صرفنظر می کنند. صرفنظر کردن از جرم پی باعث تغییر در پاسخ دینامیکی سد خاکی می شود و لذا این روش دارای پاسخ دقیق نخواهد بود. از سوی دیگر، در نظر گرفتن جرم کامل پی در تحلیل های اجزاء محدود، دور شدن از پاسخ های صحیح در حل مسئله اندرکنش سد-پی را به دنبال دارد به نحوی که نتایج بدست آمده از تحلیل های عددی با پاسخ ثبت شده سد در نقاط مختلف متفاوت خواهد بود.
-2 تاریخچه بررسی رفتار دینامیکی سدهای خاکی
سابقه بررسی تاثیر زلزله بر سدهای خاکی به چند دهه قبل باز می گردد. ولی پیچیدگی های رفتاری اینگونه سازه های خاکی در شرایط مختلف فیزیکی و هندسی و تفاوت ویژگی های زمین لرزه ها موجب می شود که مطالعات دقیق تر با ابزار محاسباتی قوی تر، نتایج جدید یا متفاوتی از رفتار بدنه سد را در مقابل زلزله نشان بدهد
بررسی رفتار لرزه ای سدهای خاکی طیف وسیعی را در بر می گیرد که در این بخش سعی می شود به مواردی از آنها اشاره شود. در سال 1991، آقایان گازتاس و داکولاس1، روش های نظری را برای برآورد پاسخ دینامیکی و پیش بینی عملکرد مدرن سد سنگریزه ای را برای زلزله قوی که در معرض لرزش هستند را مورد بررسی قرار دادند
تمرکز اصلی بر روی روش های محاسبه رفتار غیر خطی مواد، برای هندسه پیچیده سه بعدی و تحریک پایه ناهمگام می باشد. آنها نشان دادند که هر دو عامل غیرخطی بودن و عدم انسجام در تحریک لرزه ای، تمایل به سمت کاهش دامنه زیان آور اثر شلاقی محاسبه شده سدهای بلند ساخته شده در دره های باریک صلب را دارند. با توجه به نتایج نظری، آنها قوانین و اقدامات دفاعی جدیدی را که به برنامه های طراحی قوی برای هسته ی خاکی و پوسته بتنی لازم است را پرداخته اند. در سال 1997، مور و گوان در مطالعه اثر پی به بررسی نسبت مدول الاستیسیته نیم فضا به مدول الاستیسیته لایه پی زیر بدنه سد بر پاسخ سد خاکی پرداختند.
نتایج نشان داد که در مقدار پیک فرکانسی، هرچه نیم فضا سخت تر باشد، پاسخ سد بزرگتر خواهد بود .[3] در سال 2001، پاپالوف و بیلاک2 مدل دوبعدی سد-دره و محیط در بردارنده آن را جهت بررسی رفتار لرزه ای الاستیک سدهای خاکی و سنگریزه ای شامل اثرات اندرکنش سد-پی در نظر گرفتند. مدل ارائه شده بر اساس شکل دلخواه دره و خواص غیر همگن سد می باشد. از سوی دیگر فرض شد که سد و دره بصورت الاستیک، تغییر شکل خواهد داد. سد بصورت تیر برشی از مصالح الاستیک غیر همگن و محیط در بردارنده ی سد نیز به صورت نیم فضای الاستیک، مدل گردید
برای بررسی اثر انعطاف پذیری دره و نیز زاویه موج مهاجم بر روی پاسخ لرزه ای سد، مدلی از سد لاویلیتا3 تهیه شد. نتایج نشان می دهد که اندرکنش سد-پی به طور مشخص بر روی رفتار لرزه ای سد اثر می گذارد به نحوی که در نظر گرفتن اندرکنش سد-پی باعث ایجاد کرنشهای کوچکتری نسبت به حالت فرض دره صلب شده است که دلیل این امر می تواند باز تابش انرژی به پی باشد. به عبارت دیگر فرض صلب بودن دره باعث ایجاد پاسخهای بزرگتر می گردد که این امر می تواند تا 2 برابر بزرگتر نیز باشد. از سوی دیگر مطالعات صورت گرفته توسط همین محققین در سال 2004 نشان دهنده این مطلب است که اثرات اندرکنش سد-پی در تمام فرکانسها و برای حالات خطی و غیرخطی، رخ می دهد
در سال 1386، داودی و جواهری به بررسی پاسخ لرزه ای سد خاکی مسجد سلیمان تحت اثر تغییرات مکانی حرکت زمین لرزه پرداختند. در این تحقیق از مدل المان محدود دو بعدی در حالت پی صلب استفاده گردید و تحلیل ارتعاشی تصادفی جهت برآورد پاسخ احتمالی سد مورد استفاده قرار گرفت و توزیع تنشهای مجموع استاتیکی و دینامیکی تنشهای افقی، قائم و برشی و نیز ضرایب اطمینان سطوح لغزشی مورد مقایسه قرار گرفت.
نتایج بدست آمده نشان داد که در نظر گرفتن محرک ورودی یکنواخت می تواند منجر به برآورد نتایج غیر واقعی در ارزیابی پایداری سطوح مستعد لغزش در سدهای خاکی گردد .[6] در سال 1388، حائری و صیفوری، اثر امواج رایلی4 و ترکیب امواج P و SV روی پاسخ یک سد سنگریزه ای با رویه ی بتنی5 سه بعدی معمولی را با توجه به اندرکنش سد-پی و تغییرات سه بعدی حرکت زمین لرزه مورد بررسی قرار دادند.
روش المان محدود مرزی معین، برای بدست آوردن حرکات پراکنده و نیروهای اندرکنشی در امتداد خط باریک مورد استفاده قرار گرفت. مدل غیرخطی برای مصالح سنگریزه ای استفاده گردید و یک المان مماسی مطابق با قانون اصطکاک کولمب در سطح مشترک سنگریزه و دال مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد که امواج رایلی، نیروهای موثر داخلی در صفحه دال را تحریک می کنند. ضمناً ترکیب امواج P و SVنیز دهانه های باز و حرکات طبیعی گره های قائم را تحریک می کنند. همچنانکه مفصل قائم دهانه نسبتاً بزرگ و حرکت طبیعی را تحمل می کند، انعطاف پذیری آن یک مسئله مهم هست. گره ها بایستی برای آغاز و انتها توانا باشند و حرکات جانبی را در مصالح مفصل سازه ای یا آب بند، بدون شکست تحمل کنند
-3 مبانی اندرکنش خاک-سازه
روش های مختلفی برای حل مسأله اندرکنش خاک-سازه وجود دارد که می توان روشهای زیر را نام برد:
-1 روش مستقیم -2 روش چند گامه -3 روش حرکت افزوده -4 روش مختلط از آنجا که در تحقیق حاضر تحلیل عددی سد کرخه بر اساس روش اجزاء محدود صورت می گیرد، در این قسمت تنها به شرح مختصری از روشهای مستقیم، چند گامه و حرکت افزوده پرداخت می شود.
-3-1 روش مستقیم
در این روش، سازه و بخش مهمی از خاک اطراف سازه مدفون شده توسط اجزاء محدود مدل شده و حرکت میدان آزاد در مرزهای سیستم اعمال می شود. در این روش مشخصات غیرهمگن خاک یا سنگ در نظر گرفته می شود و رفتار غیرخطی خاک نیز می تواند لحاظ گردد. در این روش، عکس العمل های سازه و خاک بطور همزمان بدست می آید. در شکل - 1 - حرکتهای ورودی میدان آزاد در پایه و کناره های مدل نشان داده شده است. در این شکل uff شتاب میدان آزاد نقاط گرهی مرزی را مشخص می کند.
شکل -1 مدل روش مستقیم اندرکنش خاک -سازه
-3-2 روش چند گامه
در این روش، فرض اصلی برقرار بودن اصل جمع آثار قواست که خود متضمن رفتار خطی است، لذا این روش به تحلیل سیستم های خطی محدود می شود. در روش زیر خاک - سازه به یک سری از زیر مسأله های ساده تر تقسیم می شود و هر مسأله جداگانه تحلیل گردیده و در مرحله نهایی تحلیل، بر پایه اصل جمع آثار قوا، نتایج با هم ترکیب می گردد. این روش بخصوص در مواقعی که یک بخش از سیستم دارای هندسه ساده ای می باشد و بخش های دیگر دارای هندسه پیچیده ای هستند، از کارایی مناسبی برخوردار است. این روش دارای قابلیت تعریف مولفه های مختلف اندرکنشی جنبشی1 و اندر کنش اینرسی2 می باشد .در شکل - 2 - روش چند گامه نشان داده شده و مدل های مربوط به تحلیل اندرکنش جنبشی و اینرسی ارائه شده است.
شکل - 2 مدل تحلیل اندرکنش جنبشی، ب-مدل تحلیل اندرکنش اینرسی
در حرکت میدان آزاد3، زلزله باعث جابجایی خاک در جهت های افقی و قائم می گردد. اگر یک پی بر سطح یا در داخل لایه ای از خاک به اندازه ای سخت باشد که تغییرشکل های مربوط به میدان آزاد را همراهی نکند، حرکت آن ناشی از اندرکنش جنبشی خواهد بود. تغییرشکل های ناشی از اندرکنش جنبشی را با فرض اینکه پی دارای سختی بوده اما فاقد جرم است، می توان بدست آورد. در این حالت معادله حرکت به صورت زیر است:
در این معادله، ماتریس جرم با فرض سازه و پی بدون جرم وحرکت ورودی پی می باشد. به عبارت دیگر در این حالت سختی خاک و سازه در معادله وجود دار اما از جرم سازه صرفنظر شده است و در سمت راست معادله، شتاب حاصل از حرکت میدان آزاد به جرم خاک اعمال می گردد. حاصل این تحلیل، محاسبه حرکت ورودی به زیر سازه خواهد بود. از سوی دیگر سازه دارای جرم بوده و این جرم باعث پاسخ دینامیکی می گردد. اثرات تغییرشکل پذیری خاک بر پاسخ بدست آمده، در اثر اندرکنش اینرسی می باشد. تغییر شکل های ناشی از اندرکنش اینرسی از معادله - 2 - بدست می آید.
