بخشی از مقاله
خلاصه
محاسبهی تغییر مکانهای ناشی از گودبرداری، یکی از مهمترین موضوعات در بررسی یک گود میباشد. از طرف دیگر مدلهای رفتاری متفاوت در تحلیل یک سیستم پایدارسازی بر میزان جابجاییها و شکل آنها بسیار تاثیرگذار خواهند بود. از این رو در این مقاله در ابتدا تعدادی از مهمترین مدلهای رفتاری استفاده شده برای سیستم پایدارسازی مورد بررسی قرار گرفته است. در انتها یک گود پایدرسازی شده به روش میخ کوبی و مهاری در نرم افزر Plaxis مدلسازی شده و دو پارامتر جابجایی افقی و قائم آن که از مهمترین پارامترهای پایدارسازی گود میباشد در هر مدل بیان و با پایش - Monitoring - انجام شده در طول اجرای پروژه مقایسه شده است.
هدف از انجام این کار مقایسهی مدل های رفتاری مورد استفاده در طراحی سیستم پایدارسازی و رسیدن به نزدیک ترین جواب برای یک پروژهی انجام شده است تا راهنمایی مناسبی برای بالابردن دقت طراحیهای بعدی باشد. مشاهده میشود که مدل سخت شونده با سختی ناشی از کرنشهای کوچک تطابق بسیار خوبی با نتایج بدست آمده از واقعیت دارد.
-1 مقدمه
با پیشرفت سریع جوامع بشری و نیاز به سر پناه به عنوان یکی از مهمترین نیازهای بشر وکمبود فضا به منظور ساخت و ساز در مناطق شهری و گران بودن زمین بایستی مقوله ساخت و ساز از حالت سنتی و پیشرفت افقی شهرها تبدیل به یک سیستم یکپارچه و مدرن و پیشرفت طولی و ارتفاعی ساختمانها گردد. لذا در چنین ساختمانهایی به منظور تامین فضای مناسب برای پارکینگ و یکسری امکانات رفاهی نیاز است که در زمین گودبرداریهایی صورت گیرد
به منظور نگهداری دیوارههای گودبرداری شده انواع مختلف سازههای نگهبان مورد استفاده قرار میگیرد.
طراحی این سازههای نگهبان به وسیله ی نرم افزارهای مختلفی مانند Plaxis، Flac، Abaqus و ... انجام میشود ولی نکتهای که در اینجا حائز اهمیت است و در همهی این نرمافزارها طراحان به آن برخورد میکنند نوع مدل رفتاری خاک ساختگاه پروژه می باشد که باید به بهترین شکل خصوصیات خاک پروژه اعم از میزان جابجاییها در نقاط مختلف دیواره، محل حداکثر جابجایی دیواره و مقدار آن، شکل جابجایی دیواره و ... را تعیین کند. درنتیجه به طور کلی میتوان گفت که کیفیت پیشبینی پاسخ یک مساله ارتباط تنگاتنگی با کیفیت دادههای ورودی و مدل رفتاری مورد استفاده دارد
به طور کلی یک پیش بینی منطقی از جابجایی زمین نیاز به استفاده از مدلهایی دارد که رفتار قبل از شکست خاک و همچنین جنبههای مهم رفتاری آن را به خوبی پیشبینی کند Vermeer .[2] و Borst مدل های ساده و ابتدایی الاستیک پلاستیک کامل را بعنوان مدلهای دانشآموزی معرفی کردند
Wood پیشنهاد کرد برای بدست آوردن یک تصویر عمومی از رفتار خاک و اثر آن بر سازههای ژئوتکنیکی بهتر است که از مدلهای واقع بینانهتر یعنی مدلهای پیشرفتهتری استفاده شود. در عین حال هر چه مدل پیشرفته تر گردد بطوری که بتوان با آن جنبههای مختلف خاک را شبیهسازی نمود به همان اندازه پیچیدگیهای آن بیشتر خواهد بود
برای مدلسازی عددی سیستم خاک- میخ عمدتا از مدل رفتاری مرتبه اول موهر-کولمب استفاده میشود 5]و6و7و.[8 به منظور مدلسازی سیستمهای میخکوبی به ندرت از مدلهای رفتاری مانند مدل هیپربولیک دانکن چانگ [9] - Duncan-Chang Hyperbolic - مدل اصلاح شده موهر-کولمب با در نظر گرفتن رفتار نرمشوندگی کرنشی [10] - strain-softening - ، معیار تسلیم دراکر پراگر [11@ - Drucker-Prager - و مدل سخت شونده با کرنش استفاده شده است
Singh و Babu در سال 2010 مدل خاک سخت شونده با سختی ناشی از کرنشهای کوچک را توسعه دادند. بطورکلی همانطوری که در مطالعه انجام شده در این تحقیق نیز نشان داده خواهد شد، استفاده از مدلهای رفتاری قدرتمند برای مدلسازیهای عددی رفتار مناسبتری را برای سیستمهای میخکوبی پیشبینی می کنند ولی در عین حال، نیازمند استفاده از کامپیوترهای با ظرفیت بالا میباشند .همچنین استفاده از این مدلهای رفتاری نیازمند عملیات پیچیده ژئوتکنیکی و قضاوت مهندسی بیشتر براساس تجربه برای تعیین پارامترهای مدل میباشد.
در این مقاله در ابتدا معرفی اجمالی از مدلهای رفتاری در نرم افزار Plaxis ارائه شده، سپس پروژهای اجرا شده دارای سیستم پایش در هنگام اجرا، با استفاده از 4 مدل رفتاری مناسب با شرایط ساختگاه مدلسازی شده و در نهایت به بررسی نتایج بدست آمده از مقایسه جابجایی به ویژه میزان بالازدگی کف گود، جابجایی دیواره و نشست سطح در مدلها، پرداخته شده است.
-2 مدلهای رفتاری خاک در نرم افزار Plaxis
Plaxis نرم افزار المان محدود پیشرفته برای تحلیل تغییر شکلها و پایداری در پروژههای مهندسی میباشد. معمولا در مسائل مهم ژئوتکنیک، یک مدل رفتاری پیشرفته برای مدلسازی رفتار غیرخطی و وابسته به زمان خاکها بسته به هدف مورد نظر لازم است. اگرچه نتایج تعداد زیادی از آزمایشات به نتایج حاصل از تحلیلهای این نرمافزار نزدیک بوده است لیکن نمیتوان اظهار کرد که این برنامه عاری از خطاست. مهمترین عامل در رسیدن به نتایج دقیقتر و قابل اطمینانتر از این نرمافزار آگاهی کاربر از نحوه صحیح مدلسازی، شناخت مدلهای مختلف رفتاری خاک و محدودیت های آن، انتخاب مناسب پارامترها و توانایی قضاوت مهندسی کاربر در استفاده از نتایج تحلیل هاست.
در بحث مدلسازی عددی، تعیین مدل رفتاری و پارامترهای ورودی متناظر آن از اصلیترین پارامترهای تاثیرگذار در خروجی تحلیل است. مدلهای رفتاری در اصل یک توصیف ریاضی از رفتار مکانیکی مصالح را بیان میکنند که در برگیرنده جنبههای مهم رفتاری مصالح هستند. در نرم افزار Plaxis ، مدلهای خاک موهر- کلمب - Mohr Coulomb - Soil Model، مدل خاک سخت شونده - Hardening Soil Model - ، مدل کم کلی اصلاح شده - Cam- Clay - Model، مدل رفتار خاک نرم - Soft Soil Model - ، مدل نرم شوندگی خزشی - Soft Soil Creep Model - و خاک سخت شونده با سختی در کرنشهای کوچک - Hardening-Soil with Small Strain Stiffness Model - قابل بکارگیری است
مدلهای معرفی شده در بالا به طور کلی در بخش بعدی توضیح داده شده است.
-1-2 مدل رفتاری موهر کلمب
مدل موهر- کولمب یک مدل الاستیک خطی- پلاستیک کامل است که برای بیان رفتار تنش-کرنش به 5 پارامتر ورودی نیاز دارد. این مدل از ترکیب قانون هوک و معیار گسیختگی کولمب استفاده میکند. پارامترهای مورد استفاده در این مدل به دو دسته پارامترهای الاستیک و پلاستیک تقسیم میشوند. پارامترهای الاستیک مدل عبارتند از: مدول یانگ - E - و ضریب پواسون - υ - و پارامترهای پلاستیک این مدل شامل زاویه اصطکاک داخلی - φ - ، چسبندگی - C - و زاویه اتساع - ψ - میباشد
در بین مدلهای رفتاری، این مدل بدلیل سادگی روابط و همچنین دادههای ورودی کم و قابل تعیین با آزمایشهای ساده، استفاده بیشتری نسبت به دیگر مدلهای رفتاری دارد. در این مدل برای هر لایه یک سختی میانگین ثابت در نظر گرفته میشود و به همین دلیل محاسبات نسبتا سریع انجام می گیرد و میتوان یک تصویر نسبتا ساده از تغییر شکلها قبل از گسیختگی پیدا کرد.
بحث ثابت بودن سختی، عدم وابستگی آن به میزان تنش و عدم تمایز بین سختی بارگذاری اولیه و باربرداری/ بارگذاری مجدد مصالح در خاکها باعث ایجاد خطاهایی در مدلسازی گودبرداری خواهد شد .[14] که به عنوان مثالی از این خطاها میتوان به ایجاد بالازدگی کف و حرکت به سمت بالا در دیواره و کاهش جابجایی سقف در پروژههای حفاری مانند حفر سازه های زیرزمینی [15] و گودبرداریها به میزان غیرمنطقی اشاره کرد. همین امر الگوی کلی جابجایی ناشی از حفاری را تحت تاثیر قرار میدهد. در اکثر مصالح به ویژه انواع خاکها وابستگی سختی به میزان تنش و همچنین تفاوت سختی باربرداری/ بارگذاری مجدد در آنها نسبت به سختی بارگذاری اولیه، محسوستر است
برای رفع این مشکل در بعضی از نرم افزارها روابطی برای بیان وابستگی مقدار سختی به سطح تنش - براساس افزایش عمق - در مدل موهر-کولمب ارائه شده است که فرم کلی آنها به شکل رابطه - 1 - است:
در این رابطه با افزایش عمق - y - و به ازای نمو تغییر شکل پذیری - Einc - و براساس یک مقدار مرجع برای شکل پذیری - Eref - ، مقدار نهایی E در عمق مشخص - y - تخمین زده میشود. البته گاهی این رابطه به صورت غیرخطی نیز بیان میشود که در مصالح مختلف ممکن است تغییرات متفاوتی داشته باشد
یکی دیگر از ضعفهای مدل موهر- کولمب، رفتار بعد از شکست است. چون این مدل الاستوپلاستیک کامل است، در آن بحث سخت شوندگی یا نرم شوندگی مطرح نیست و بعد از رسیدن به مقدار تنش تسلیم، مقدار تنش با افزایش کرنشهای پلاستیک ثابت میماند که با رفتار واقعی اکثر خاکها متفاوت است. این مفهوم در طراحیهای دراز مدت پروژههای حساس مانند دفن زبالههای اتمی و ذخیرهسازی هیدروکربنها که رفتار بعد از شکست مصالح نیز بررسی میشود، بسیار حائز اهمیت است. البته این ضعف در بحث الگوی جابجایی گود تاثیر کمتری دارد. در این مدل به دلیل ثابت بودن سطح تسلیم، مقدار اتساع - تغییر حجم - با افزایش کرنش به طور پیوسته و نامحدود رخ میدهد که بزرگی آن نیز غیر منطقی است 2]و.[14 بنابراین با این تفاسیر، استفاده از مدلهای رفتاری پیشرفته که به نوعی وابستگی سختی به سطح تنش و همچنین رفتار غیرخطی در محدوده قبل از شکست را بیان کنند در پروژههای با اهمیت توصیه میشود.
-2-2 مدل رفتاری خاک سخت شونده
در بین مدلهای پیشرفته آن دسته از مدلهایی که در عین دارا بودن جنبههای رفتاری مهم مصالح، تعداد پارامترهای کمتر و روابط سادهتری داشته باشند از مقبولیت بیشتری در بین مهندسان طراح ژئوتکنیک برخوردار هستند. یکی از این مدلها، مدل خاک سخت شونده است. مدل خاک سخت شونده در چارچوب تئوری پلاستیسیته در سال 1998 توسط Schanz و همکارانش پایهگذاری شده است.
