بخشی از مقاله
خلاصه
کاربرد دیوارهاي حائل خاك مسلح از سال 1970 میلادي به سبب مزیتهاي زیادي از قبیل انعطافپذیري لرزهاي، زیبایی ظاهري، مقرون به صرفه بودن و ساخت سریع این سازهها، رشد زیادي داشته است. عناصر تسلیح در این دیوارها در ابتدا تسمههاي فولادي بوده که به همراه پوسته پیشساخته به کار میرفته است ولی از سال 1990 ساخت دیوارها با استفاده از ژئوسنتتیکها و بهکار گیري بلوكهاي مدولار بتنی به عنوان پوسته مرسوم گردیده است.
در این مقاله با بکارگیري یک کد تفاضل محدود با نرمافزار FLAC-2D به مدلسازي یک دیوار حائل خاك مسلح ژئوسنتتیکی با رویه بلوك بتنی با یک مدل رفتاري مناسب براي خاکریز که قابلیت شبیهسازي رفتار الاستوپلاستیک خاك را داراست، پرداخته شده است.
تمامی مراحل ساخت از جمله آماده سازي بستر زیر دیوار و ساخت مرحلهاي دیوار مدلسازي گردیده است. در نهایت تاثیر پارامترهاي مهم از جمله سختی پنجه دیوار و نوع اتصال مسلحکننده به نماي بلوك بتنی بر روي پاسخ استاتیکی دیوار در شرایط انتهاي ساخت و اعمال سربار بررسی شده است. نتایج حاصل از این مقاله در شناسایی رفتار دیوارهاي خاك مسلح ژئوسنتتیکی در حین ساخت و تحت اثر سربار مؤثر بوده و نحوه طراحی این دیوارها را ارتقا میبخشد.
مقدمه
با پیشرفت علم مکانیک خاك استفاده از خاك مسلح درتقویت باربري شالوده ها و طراحی سازه هاي حایل خاکی، روشی است که در سال هاي اخیر متداول شده است .خاك مسلح یکی از مصالح ساختمانی است که از خاك و اجزاي مقاوم در مقابل کشش تشکیل شده است. مسلح کنندهها اغلب شامل نوارهاي فلزي و صفحات یا شبکه هاي ژئوسنتتیک می باشند.
ژئوسنتتیک ها موادي از مشتقات نفت می باشند که در سالهاي اخیر کاربرد زیادي در پروژه هاي عمرانی پیدا کردهاند. کاربرد دیوارهاي حائل خاك مسلح ژئوسنتتیکی - GRSW - از سال 1970 میلادي به سبب مزیتهاي زیادي از قبیل انعطافپذیري لرزهاي، زیبایی ظاهري، ساخت سریع این سازهها، رشد زیادي داشته است. دیوارهاي خاك مسلح ژئوسنتتیکی به لحاظ اقتصادي جایگزین مناسبی براي دیوارهاي حائل ثقلی و بتنی میباشد. با ساخت این نوع دیوارها در آمریکا نشان داده شد که هزینههاي ساخت این نوع دیوارها نصف هزینههاي ساخت دیوارهاي حائل قدیمی میباشد .
به همین دلیل دیوارهاي خاك مسلح ژئوسنتتیکی مورد توجه محققین قرار گرفته است و بسیاري از آنها تاثیر پارامترهاي مختلف را بر روي رفتار این نوع دیوارها بررسی کردهاند. آیین نامه راه آمریکا - FHWA - دستورالعملی براي دیوارهاي خاك مسلح مکانیکی در سال 2001 منتشر کرد.
این آییننامه روشی یکسان براي طراحی انواع دیوارهاي خاك مسلح با مسلحکنندههاي پلیمري یا فلزي ارائه کرده است و از روش تعادل حدي به بررسی این نوع دیوارها پرداخته است که نتایج محافظ کارانهاي - به خصوص براي شرایط بهرهبرداري - را به دنبال خواهد داشت. به همین دلیل پارامترهاي مختلف مثل مشخصات اینترفیس خاك و مسلحکننده، اتصال رویه و مسلح کنندهها، سختی مسلحکننده ها و موارد بسیاري در FHWA در نظر گرفته نشده است
مدلسازيهاي عددي مختلفی براي دیوارهاي خاك مسلح ژئوسنتتیکی در مطالعات فنی موجود میباشد که از مهمترین آنها می توان به کارهاي کارپاراپو و بتهرست - 1995 - ، راو و هو - 1997 - ، لینگ و لشچینسکی - 2003 - ، لشچینسکی و والووا - 2001 - و یو و سانگ - 2006 - اشاره کرد.
همچنین موارد محدودي از مدلسازيهاي عددي دیوارهاي تمام مقیاس ابزارگذاري شده در آزمایشگاه وجود دارد که از جمله آنها می توان به تحقیقات لینگ - 2003 - ، حاتمی و بتهرست 2005 - و - 2006 و گولر و همکاران - 2007 - اشاره کرد
در این مقاله به منظور طراحی بهینه و ارزیابی دقیقتر رفتار دیوارهاي خاك مسلح در شرایط انتهاي ساخت و اعمال سربار، مدلسازي دیوار تمام مقیاس بتهرست - 2000 - در نرم افزار FLAC انجام شده و سپس تاثیر پارامترهاي مهم و اساسی که تاکنون مورد مطالعه قرار نگرفته است، بررسی میشود.
.2 مدلسازي عددي
در این مقاله مدلسازي آزمایش فیزیکی تماممقیاس دیوار خاك مسلح ژئوسنتتیکی با نماي بلوکی گروه ژئوتکنیک Royal Military College of Canada - RMCC - به ارتفاع 3/6 متر و زاویه رویه 8 درجه از حالت قائم در نرم افزار تفاضل محدود FLAC-2D انجام میشود
مقطعی از دیوار تمام مقیاس آزمایشگاهی RMCC و هندسه مدل در نرمافزار در شکل 1 - الف - و - ب - مشاهده میشود.
شکل – 1 مقطع شماتیک هندسه دیوار خاك مسلح زئوسنتتیکی - الف - مدل فیزیکی ابزارگذاري شده - ب - مدل عددي
.1 .2 مدلسازي مراحل ساخت و اعمال سربار در بالاي دیوار
براي رسیدن به تنشهاي تراکمی با دقت بهتر و فشار جانبی در پشت دیوار، مدلسازي عددي دیوار با توجه به شبیهسازي شرایط ساخت مرحلهبهمرحله بهصورت لایهلایه صورت میگیرد. ضخامت هر لایه خاك براي ساخت مرحلهاي 15 تا 30 سانتیمتردر نظر گرفته میشود - ضخامت یک یا دو بلوك بتنی - و مسلح کننده ها در ارتفاع مناسب اضافه میگردد.
آنالیز تحت بار وزن لایههاي خاك، بلوكهاي بتنی و مسلح کننده ها انجام میگردد. در اولین لایه از ساخت مرحلهاي براي پایداري شرایط اولیه دیوار تحلیل انجام میشود. وقتی نیروي گرانش اعمال میشود، نیروي غلتک تراکم بهصورت توزیع تنش گسترده یکنواخت 8 کیلوپاسکال روي هر لایه خاك اعمال میگردد
این روش توسط حاتمی و بترست - 2005 - استفاده شد. در مرحله آخر ساخت، یک سربار بهصورت فشار یکنواخت به سطح بالاي دیوار، از پشت رویه تا مرز سمت راست، اعمال میشود. در مدل فیزیکی آزمایش، سربار بهصورت فشار روي سطح بالایی دیوار ناشی از کیسههاي هوا متصل به تیر، اعمال میشود .[4] براي مدلسازي عددي فشار یکنواخت 40 کیلوپاسکال به بالاي سطح آخرین لایه خاك متراکم شده پس از ساخت اعمال میشود.
.2 .2 مشخصات خاکریز دیوار
معمولا در آییننامههاي طراحی براي خاکریز پشت دیوار خاك دانهاي توصیه شده است. در خاكهاي دانهاي به علت زهکشی، خاك در حالت خشک در نظر گرفته میشود. در اکثر مدلسازيهاي عددي نیز خاکریز پشت دیوار به صورت دانهاي در نظر گرفته شده است .[5] خاك مورداستفاده
در خاکریز دیوار آزمایش تماممقیاس، خاك ماسهاي RMC نیمه تیز گوشه تا تیزگوشه، تمیز بد دانهبندي شده با وزن مخصوص پس از تراکم 16/8 kN/m3 و تراکم نسبی 90 درصد میباشد. مدل رفتاري براي خاکریز دیوار، مدل الاستوپلاستیک موهر-کولمب میباشد. رفتار الاستیک خطی خاك با توجه به قانون هوك و در نظر گرفتن مدول سختی ثابت 48 مگاپاسکال و ضریب پواسون 0/3 شبیهسازي میشود. محدودیت مدل رفتاري موهر-کولمب براي خاكهاي دانهاي عبارت است از: - 1 - لحاظ نکردن تاثیر فشار محصورشوندگی و نرخ کرنش بر روي سختی خاك و - 2 - شامل نشدن رفتار برشی نرمشونده؛ به همین دلیل توصیه میشود که مدول سختی الاستیک خاك از قسمت ابتدایی نمودار تنش-کرنش انتخاب شود.
معیار تسلیم با توجه به مدل موهر-کولمب با چسبندگی 0/2 کیلوپاسکال و زاویه اصطکاك 44 درجه انتخاب میشود. زاویه اصطکاك حداکثر بر اساس نتایج آزمایشهاي کرنش مسطح براي تنشهاي اصلی بر روي ماسه RMC بدست آمده است. براي جلوگیري از تسلیم زودرس - ناپایداري عددي - در زونهایی که به صورت موقت تحت تنشهاي محصورشوندگی کم میباشند، مقدار کمی به پارامتر چسبندگی اختصاص داده میشود. با اختصاص دادن مقداري براي پارامتر زاویه اتساع امکان استفاده از مدل موهر-کولمب با قانون جریان غیرهمبسته در نرمافزار FLAC امکانپذیر میباشد
در جدول 1 مقادیر پارامترهاي مورد استفاده در نرمافزار براي خاکریز مشاهده میشود.
جدول -1 مشخصات مصالح خاکریز
.3 .2 مسلح کننده ها
براي شبیهسازي، لایه مسلح کننده ژئوسنتتیکی دوبعدي که در مدل فیزیکی آزمایشRMCC وجود داشت، بهصورت کابل همگن، ایزوتروپیک و الاستیک خطی کششی - بدون مقاومت فشاري و خمشی - در نرمافزار FLAC مدل میشود. مدل فیزیکی براي شرایط بارگذاري معمول، در جهت ضعیف بارگذاري شد تا اجازه تغییر شکلهاي بزرگتري را داشته باشد .[3] به همین دلیل، حداقل سختی براي مدل الاستیک خطی انتخاب شد.
حاتمی و بترست - 2005 - از مسلحکنندههاي ژئوسنتتیکی با سختی اولیه 11/9 کیلو نیوتن بر متر را استفاده کردهاند. به دلیل بلندمدت بودن طول- عمر دیوار و کرنشهاي کوچک - کمتر از % 1/5 - ، مدول الاستیک ثابت براي شرایط بهرهبرداري مناسب دیده شد.
همچنین مسلح کننده ها مقاومت خزشی 4 کیلو نیوتن بر متر داشتند .[7] باید متذکر شد که مقادیر اندازهگیري شده در آزمایشگاه و تحلیلهاي عددي در شرایط انتهاي ساخت، هر دو کمتر از این مقدار میباشد. به همین دلیل تسلیم مسلح کننده اتفاق نمیافتاد. همانطور که در شکل2 مشاهده میشود، کرنش در مسلح کنندهها معمولاً کمتر از 1/5 درصد میباشد و مدل الاستیک خطی در این محدوده تطابق خوبی با نتایج مدلهاي مورد استفاده بقیه محققین دارد، به همین دلیل مدل رفتاري الاستیک خطی تخمین مناسبی براي کاهش زمان محاسبات و مشکلات مدلسازي میباشد. مشخصات مسلحکنندههاي مورد استفاده در تحقیق حاضر در جدول 2 نمایش داده شده است.
شکل -2 رفتار تنش-کرنش با نرخ ثابت ./01 درصد بر دقیقه براي کرنشهاي کوچک
