بخشی از مقاله
خلاصه
استفاده از ستون هاي سنگی یکی از روش هاي مناسب براي افزایش ظرفیت باربري و کاهش نشست پذیري خاك هاي نرم در اثر احداث سازه مورد نظر می باشد. ظرفیت باربري ستون هاي سنگی، بستگی جدي به قید جانبی تامین شده از طرف خاك نرم اطراف دارد. در اغلب مواقع ستون هاي سنگی در اثر پدیده حبابی شدن - انبساط جانبی - در نزدیکی بالاي ستون سنگی بعلت کافی نبودن حمایت جانبی دچار خرابی می شوند.
براي افزایش باربريظرفیت باربري ستون سنگی میتوان به کمک غلاف استوانه اي شکل از لایه ژئوسنتتیک در قسمت بالاي ستون سنگی موجب افزایش سختی جانبی و بالطبع افزایش ظرفیت باربري ستونهاي سنگی شد. یکی از ایده هاي جدید استفاده از صفحات مسلح کننده هاي افقی از جنس ژئوسنتتیک در فواصل معین در طول ستون سنگی براي کاهش پتانسیل انبساط جانبی و افزایش ظرفیت باربري ستون سنگی می باشد.
در مقاله حاضر با استفاده از روش عددي اجزاي محدود به بررسی رفتار ستون هاي سنگی مسلح شده با صفحات افقی ژئوسنتتیکی پرداخته شده است. در مقاله حاضر پارامترهاي تاثیرگذار ه مچون قطر ستون سنگی، سختی مسلح کننده، فاصله قائم بین مسلح کننده ها و مقدار انبساط جانبی در اثر بارگذاري به عنوان پارامترهاي متغییر درنظرگرفته شده است.
-1 مقدمه
استفاده از ستون هاي سنگی یکی از روش هاي مناسب براي افزایش ظرفیت باربري و کاهش نشست پذیري خاك هاي نرم در اثر احداث سازه مورد نظر می باشد. ظرفیت باربري ستون هاي سنگی، بستگی جدي به قید جانبی تامین شده از طرف خاك نرم اطراف دارد.
در اغلب مواقع ستون هاي سنگی در اثر پدیده حبابی شدن - انبساط جانبی - در نزدیکی بالاي ستون سنگی بعلت کافی نبودن حمایت جانبی دچار خرابی می شوند. ستونهاي سنگی در خاكهاي نرم اجرا میشوند و تقریبا تمام ظرفیت باربري خود را از فشار محصورکننده جانبی به دست میآورند و در واقع به واسطه فشاري که خاك پیرامون ستون سنگی به آن اعمال میکند پایدار می ماند [1] Greenwood - 1970 - و [2]Barksdale and Bachus - 1983 - و [3]Gniel and Bouazza - 2008 - در. صورتی که چسبندگی زهکشی نشده رس نرم اطراف ستون سنگی کم باشد فشار جانبی خاك اطراف براي جلوگیري از گسیختگی ستون سنگی کافی نبوده و نیاز به المانی براي افزایش فشار جانبی وجود دارد.
اولین بار [4] Van Impe - 1989 - براي افزایش ظرفیت باربري ستونهاي سنگی ایده استفاده از غلاف ژئوسنتتیکی را ابداع نمود. در واقع با استفاده از ژئوتکستایل محصور شده به دور ستون سنگی فشارجانبی افزایش یافته و ژئوتکستایل مانع از فرورفتن مصالح دانه اي ستون سنگی در خاك نرم میگردد و بنابراین ظرفیت باربري به طور چشمگیري افزایش می یابد. محققین مختلف به روشهاي مختلف مانند روشهاي تحلیلی و عددي - - [5],[6] و آزمایشگاهی در مورد اثر مسلح سازي قائم ستون هاي سنگی با ژئوسنتتیک ها به بررسی و تحقیق پرداخته اند. Ghazavi, Nazari Afshar - 2013 - ظرفیت باربري ستونهاي سنگی مسلح شده با ژئوسنتتیک ها را مورد بررسی قرار دادند. نتایج این تحقیق نشان داد که گسیختگی ستون سنگی تکی به علت شکم دادگی اتفاق می افتد.
این شکم دادگی عموما در عمق D تا D - 2D قطر ستون سنگی - از سر ستون سنگی اتفاق می افتد و گسیختگی گروه ستون سنگی به صورت ترکیبی از شکم دادگی و تغییر شکل جانبی است .[8] یکی از ایده هاي جدید استفاده از صفحات مسلح کننده ژئوسنتتیکی است که در فواصل معین در داخل ستون سنگی هنگام ساخت کارگذاشته می شود.
[9]Sharma, et al - 2004 - و [10]Nazari Afshar and Ghazavi - 2013 - بصورت تجربی و آزمایشگاهی به بررسی تاثیر استفاده از صفحات مسلح کننده ژئوسنتتیکیپرداختند. نتایج حاصل بیانگر تاثیر مثبت مسلح کننده هاي افقی در افزایش ظرفیت باربري ستون هاي سنگی می باشد. با توجه به جدید بودن ایده استفاده از مسلح کننده هاي افقی در ستون سنگی هنوز مطالعات کافی در این زمینه صورت نگرفته است. در ستون هاي سنگی معمولی مکانیزم خرابی حاکم از نوع انبساط جانبی - Bulging - می باشد که در محدوده =D - - 2-3 - D قطر ستون سنگی - معمولا رخ می دهد.
بطور معمول در ادبیات فنی از صفحات مسلح کننده در طول ستون سنگی با فواصل یکسان استفاده می شود.
هدف از تحقیق حاضر آن است که با حفظ تعداد لایه هاي مسلح کننده افقی به بررسی تاثیر تغییر مکان استفاده از مسلح کننده هاي افقی در ستون سنگی بخصوص در محدوده مستعد انبساط جانبی پرداخته شود.به این دلیل با استفاده از روش عددي اجزاي محدود به بررسی و مقایسه تاثیر مسلح کنندگی افقی - صفحات افقی - ستون سنگی با استفاده از ژئوسنتتیک ها پرداخته شده است. در مطالعه حاضر تاثیر نوع مسلح کننده و تغییر فواصل صفحات افقی در طول ستون سنگی در رفتار ستون سنگی بررسی شده است.
-2 مدل روش اجزاي محدود و صحت سنجی مدل
در تحقیق حاضر به بررسی عددي ظرفیت باربري سه نوع ستون سنگی معمولی و مسلح شده قائم و مسلح شده افقی پرداخته شده است. براي انجام آنالیز از نرم افزار اجزاي محدودPlaxis2D استفاده شده است. در مدلسازي عددي از تکنیک مدلسازي تقارن محوري با در نظر گرفتن مدل موهر- کولمب براي ستون سنگی و خاك رس و براي مسلح کننده از مدل الاستیک خطی استفاده شده است.
المان بندي مدل عددي توسط المان هاي مثلثی 6 گرهی انجام شده است. در تحلیل هاي عددي می بایست شرایط مرزي مدل عددي طوري انتخاب شوند که نتایج را تحت تاثیر قرار ندهد. مرز قائم در مدل عددي به اندازه 4 متر دورتر از لبه پی در نظر گرفته شده است. در انتخاب مرزها کنترل هاي لازم از جهت آنکه تنش هاي ناشی از بارگذاري به مرزها نرسیده باشد، انجام شده و ابعاد هندسی مدل عددي کنترل و از صحت انتخاب مرزها اطمینان حاصل شد. بارگذاري عددي با روش اعمال جابجایی تا رسیدن به جابه جایی معادل 25% بعد پی انجام شد.[11]
شکل-1 ستون سنگی الف - معمولی ب - مسلح قائم ج - مسلح افقی
قبل از انجام تحلیل هاي عددي لازم می باشد که از صحت کارکرد نرم افزار و مدل مورد نظر کنترل شود. براي کنترل نتایج مدلسازي عددي ستون هاي سنگی در حالت معمولی و مسلح شده از داده هاي حاصل از 2 آزمایش مدل فیزیکی حاصل از تحقیق Ghazavi, Nazari Afshar - [8]2013 - استفاده شده است.
مشخصات مورد استفاده در برنامه Plaxis براي مدل عددي در جدول 1 ارائه شده است. در شکل2 نتایج تحلیل عددي و آزمایشگاهی جهت کنترل صحت مدل عددي ارائه شده است، همانطور که ملاحظه می شود نتایج همخوانی خوب با یکدیگر دارند.لازم بذکر است در این تحقیق پارامترهاي مقاومت برشی خاك نرم اطراف و مصالح ستون سنگی مطابق جدول 1 در نظر گرفته شده است.
جدول -1 مشخصات مصالح مورد استفاده در برنامه [8] Plaxis
شکل-2 مقایسه نتایج حاصل از روش عددي و آزمایشگاهی
-3 نتایج حاصل
-3-1 بررسی تغییر سختی مسلح کننده و طول مسلح سازي ستون سنگی
براي تحلیل عددي در مورد ستون هاي سنگی تک، قطر ستون سنگی برابر با 80 و 100 سانتیمتر با نسبت طول به قطر برابر 5 در نظر گرفته شده است. با توجه به آنکه در عمل ستون سنگی به همراه خاك اطراف تحت بارگذاري قرار می گیرد، در تمام تحلیل ها قطر پی برابر 200 سانتیمتر ثابت در نظر گرفته شده و فقط قطر ستون سنگی متغیر در نظر گرفته شده است و تحلیل ها با روش اعمال جابجایی انجام شده است.
به عبارت دیگر نسبت ناحیه اصلاح شده در تحلیل ها با ثابت ماندن قطر پی و افزایش قطر ستون سنگی به ترتیب برابر با %16 و %25 در نظر گرفته شده است. براي بررسی اثر سختی مسلح کننده - J - از 2 مقدار سختی مسلح کننده برابر 1000 و5000 کیلونیوتن برمتر استفاده شده است. مقدار سختی برابر 1000 و 5000 کیلونیوتن برمتر متناسب با سختی مورد استفاده کار هاي مهندسی واقعی می باشد.
لازم بذکر است در تمام تحلیل ها مقدارمجموع مساحت و تعداد لایه هاي مسلح کننده افقی ثابت بوده و فواصل بین آنها به عنوان متغیر در نظر گرفته شده است. مطابق شکل 3 براي تحلیل ها 3 محدوده قرارگیري صفحات افقی برابر5D و 3Dو2D در نظر گرفته شده است. لازم بذکر است در تمام تحلیل ها طول ستون سنگی برابر5D در نظر گرفته شده است. با توجه به آنکه بیشترین مقدار انبساط جانبی در ستون هاي سنگی در محدوده 2D الی 3D رخ می دهد - شکل - 4 لذا محدوده مسلح سازي طول ستون سنگی برابر3D و2D با توجه به نکته فوق الذکر انتخاب شده است.
همچنین با توجه به ثابت بودن مقدار صفحات مسلح کننده بدیهی است که فاصله بین صفحات مسلح کننده تابع محدوده مسلح سازي می باشد. در تمام تحلیل ها مسلح کننده ها در محدوده مورد نظر با فاصله یکسان قرار داده شده اند. در شکل 5 نتایج تحلیل هاي صورت گرفته در مورد L.R براي قطرهاي مختلف ستون سنگی با محدوده مختلف قرار گیري صفحات مسلح کننده با سختی هاي متفاوت ارائه شده است.
منظور از نسبت باربري یا L.R نسبت ظرفیت باربري زمین مسلح شده با ستون سنگی به زمین غیر مسلح می باشد. در ادامه از سرواژه L.R جهت نشان دادن نسبت باربري استفاده خواهد شد. نتایج حاکی از آن است که بیشترین مقدار L.R زمانی حاصل شده است که مسلح کننده هاي افقی در محدوده برابر3D قرار گرفته و کمترین مقدار L.R زمانی حاصل شده است که محدوده قرارگیري مسلح کننده ها برابر 2D می باشد.
قرار دادن صفحات افقی در کل طول ستون سنگی یا 5D موجب بدست آمدن مقادیر L.R تقریبا بین نتایج قبلی شده است. با توجه به شکل5 مشاهده می شود که با افزایش سختی مسلح کننده ها مقدار L.R نیز روند افزایشی دارد که این بدلیل ایجاد قید جانبی بیشتر در مصالح دانه اي ستون سنگی با استفاده از صفحات مسلح کننده قویتر می باشد. یکی از نکات بارز شکل5 آن است که نرخ افزایش L.R با افزایش قطر ستون سنگی، زمانی که مسلح کننده ها در محدوده 3D یا 2D قرار گیرند بیشتر از زمانی است که مسلح کننده ها در محدوده 5D قرار گیرند.
دلیل افزایش مقدار L.R با مسلح سازي در محدوده 3D یا 2D آن است که این محدوده طول ستون سنگی مستعدترین محل جهت انبساط جانبی و خرابی است اما قرار دادن صفحات مسلح کننده در این منطقه موجب افزایش قید جانبی در ستون سنگی شده و از انبساط جانبی جلوگیري شده و بالطبع ظرفیت باربري افزایش می یابد. بطور کلی می توان گفت که جهت رسیدن به بهترین مقدار L.R می بایست صفحات مسلح کننده حداقل در طول 3D از سر ستون سنگی قرار داده شوند.
-3-2 بررسی مقدار و محل انبساط جانبی
در شکل6 حداکثر مقدار انبساط جانبی رخ داد در طول ستون سنگی براي ستون هاي سنگی غیر مسلح و مسلح شده افقی ارائه شده است. با توجه به شکل6 مشاهده می شود مقدار انبساط جانبی ستون سنگی غیر مسلح با قطر 80 سانتی متر برابر 18% می باشد و با افزایش قطر کمی کاهش دارد. کمترین مقدار انبساط جانبی در ستون سنگی مسلح شده افقی زمانی حاصل شده است که مسلح سازي در محدوده 5D - کل طول - در ستون سنگی انجام شده است.
