بخشی از مقاله
خلاصه
از جمله پارامترهای هندسی تاثیرگذار بر عملکرد خطوط لوله مدفون عبوری از پای شیروانی میتوان به قطر و عمق قرارگیری لوله و فاصله از پای شیروانی اشاره کرد. در این تحقیق با استفاده از تحلیل عددی، تاثیر این عوامل برروی لوله با راستای عمود بر حرکت شیب در شرایط وقوع زلزله مورد بررسی قرار گرفته است.
مدلسازی عددی به صورت دوبعدی و با استفاده از نرمافزار تفاضل محدود FLAC انجام شده که در آن برای مصالح شیروانی، مدل الاستوپلاستیک موهر-کلمب و برای المانهای تیر، رفتار الاستیک خطی در نظر گرفته شده است. بارگذاری لرزهای به صورت بار هارمونیک سینوسی از کف به مدل اعمال شده است.
با فرض نسبت ثابت قطر به ضخامت، بررسی نتایج نشان میدهد که مقدار نیروها در مقطع، با قطر لوله رابطه مستقیم و با عمق قرارگیری آن رابطه عکس خواهد داشت. هرچه زاویه شیب بیشتر باشد، تاثیر فاصله از شیروانی بر کاهش نیروها بیشتر خواهد بود و همچنین با افزایش عمق لوله، حداکثر نیروها در مقطع، در فاصله دورتری از پای شیروانی رخ می دهند.
1. مروری بر مطالعات گذشته
گاهی اوقات شرایط توپوگرافی منطقه و برخی ملاحظات دیگر اعم از اقتصادی، سیاسی، اجتماعی و ... ایجاب میکند که خطوط لوله مدفون از پای شیروانیهای خاکی عبور نمایند. این شیروانیها در حالت استاتیکی پایدار میباشند اما در برخی موارد، ضریب اطمینان استاتیکی آنها به اندازهای پایین است که با تحریک ناشی از زلزله، ناپایدار شده و دچار تغییرشکلهای دائمی خواهند شد. بسته به زاویه عبور از پای شیروانی، خط لوله متحمل تنشها و تغییرشکلهای مختلفی خواهد شد.
یکی از این حالات، عبور خط لوله به صورت عمود بر راستای حرکت شیروانی خواهد بود که موضوع این پژوهش میباشد. برای بررسی خطوط لوله مدفون، محققین از روش های مختلف تحلیلی، عددی و آزمایشگاهی استفاده کردهاند. Liu & Michael - 1997 - O'Rourke براساس نیروهای اندرکنشی غیرخطی بین لوله و خاک - خاک به صورت فنر - و رابطه Remberg-Osgood برای مواد لوله، لوله را به صورت یک تیر به همراه این فنرهای محوری و جانبی مدل کردند
Michele Maugeri و همکاران - 2004 - لوله را به صورت الاستیک فرض کرده و سه ناحیه مختلف با توجه به مقدار جابجایی نسبی بین خاک ولوله تعریف کردند. نتایج آنالیزها نشان میدهد که ممان خمشی و نیروی برشی در لوله در مرز بین ناحیه پایدار و ناپایدار بیشترین مقادیر را دارا میباشند به منظور ارزیابی رفتار تغییرشکلپذیری خط لوله تحت جابجاییهای ماندگار زمین - 1PGD - با استفاده از یک مدل اجزا محدود، اندرکنش خاک و لوله را در راستای جانبی لوله بررسی کردهاند. در این روش به منظور شبیهسازی اندرکنش به دلیل جابجایی نسبی جانبی بین خاک و لوله، در مدل عددی، لوله در راستای افقی جابجا میشود
تعدادی آنالیز عددی به روش اجزا محدود دو بعدی تحت بارگذاریهای مونوتونیک برای ارزیابی اندرکنش در شرایط دو بعدی انجام دادند. لوله به صورت یک جسم دایرهای صلب مدل شده که در یک محیط همگن با معیار موهر -کلمب قرار گرفته است
تعدادی آزمایش برروی مدل لوله قرار گرفته در رس برای مطالعه اثر سرعت بارگذاری برروی نیروی رانشی انجام داد و توانست نمودار تغییرات نیروی رانشی بر واحد طول لوله در مقابل سرعت بارگذاری را بدست آورد .[5] در این پروژه، خط لوله در پایین شیروانی و در یک لایه افقی پایدار مدل شده نه درون توده لغزنده شیروانی، بنابراین بهدلیل وجود توده مقاوم خاک در مقابل لوله، تغییرشکل جانبی نسبتا کمی در طول آن ایجاد میشود.
در اینجا بهدلیل وارد شدن نیرو از طرف توده لغزیده شیروانی به مقطع لوله و در مقابل آن، مقاومت توده خاک جلوی آن در برابر حرکت جانبی، مقطع دچار تغییرشکلهایی میشود که نتیجه آن بروز نیروهای مختلف در جدار لوله خواهد بود. در واقع میتوان گفت که بهدلیل قرارگیری لوله در این مکان، سهم تغییرشکل مقطع در ایجاد تنشها و کرنش ها به مراتب بیشتر از تغییرشکل جانبی در طول آن میباشد.
2. مدلسازی عددی
با توجه به اینکه هدف اصلی در این پروژه بررسی نحوه اندرکنش شیروانی با لوله و تاثیر آن بر مقدار نیروهای بوجود آمده در مقطع لوله بوده و ارزیابی رفتار خط لوله در طول آن موردنظر نمیباشد، از مدل دو بعدی استفاده شده است. در ضمن با عنایت به اینکه سازههایی مانند خطوط لوله، در جهت عمود بر مدل دارای امتداد بینهایت هستند شرایط کرنش مسطح در نظر گرفته شده است. برای مدلسازی از نسخه 4/0 نرمافزار FLAC استفاده شده است زیرا این نرم افزار علاوه بر امکان تعریف مدلهای رفتاری پیچیده، امکان درنظر گرفتن اندرکنش خاک-سازه و محاسبه تغییرشکلهای بزرگ، تعریف المانهای واسطه و شرایط لغزش پیرامون لوله و تحلیل دینامیکی غیرخطی را داراست و نسبت به سایر نرمافزارهای موجود از سابقه طولانی در تحلیل پروژههای ژئوتکنیکی برخوردار است. بنابراین گزینه بسیار خوبی برای آنالیز دینامیکی لولههای مدفون واقع در پای شیروانیهای ناپایدار در شرایط لرزهای میباشد.
با توجه به ابعاد شیروانیهای موجود در طبیعت، هندسه شیروانی وخط لوله مطابق شکل 1 انتخاب شده است. محل قرارگیری لوله با دو پارامتر B و X تعیین میشود. پارامتر B نشاندهنده عمق لوله مدفون بوده و برابرست با فاصله سطح زمین تا بالای لوله. پارامتر X فاصله لوله تا پای شیروانی را نشان میدهد و برابرست با فاصله نقطه شروع شیب تا لبه خارجی سمت راست لوله. در ضمن، قطر بیرونی لوله با D و ضخامت آن با t نشان داده میشود. به صورت پیشفرض، X=1m، B=1/5m، =450 ، D=2m و t=1/5cm انتخاب شدهاند. برای انجام مطالعات پارامتریک و بررسی تاثیر هرکدام از این متغیرها، مقادیر مختلفی برای آنها در نظر گرفته میشود.
شکل -1 هندسه شیروانی و خط لوله
همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، مدل تهیه شده دارای 10400 زون و 10701 گره بوده و شبکهبندی آن به گونهایست که بزرگترین زون دارای ابعاد 0/5 m 0/5 m میباشد. برای تحلیل استاتیکی، در وجوه جانبی از امکان آزادی حرکت در راستای افقی و در کف مدل در هر دو راستای افقی و قائم ممانعت صورت گرفته است. در مرحله دوم آنالیز که وجه تحتانی مدل تحت اثر بار دینامیکی قرار میگیرد، شرایط مرزی مدل در وجوه جانبی را از حالت ساده به حالت مرزهای میدان آزاد تغییر داده اما همچنان کف مدل به صورت گیردار باقی میماند.
شکل -2 نحوه شبکهبندی مدل
با توجه به وجود اطلاعاتی در مورد پارامترهای مقاومتی و رفتاری خاکهای سیمانته، سعی شده است که پارامترهای اختصاص داده شده در مدل تا حد زیادی مشابه این نوع خاکها باشد. مدول برشی حداکثر خاکهای ماسه سیمانی وابسته به پارامترهای مختلفی از جمله دانهبندی، درجه تخلخل، فشار همه جانبه و درصد سیمانتاسیون میباشد. مدول سختی با افزایش کرنش برشی با توجه به عمق دفن و میزان سیمانتاسیون میتواند به صورت خطی یا غیرخطی کاهش پیدا کند
Tika و همکاران - 2010 - یکسری آزمایش با استفاده از دستگاه ستون تشدید برروی نمونههای ماسه سیمانی انجام دادند. نتایج آزمایشهای آنها نشان داد که این نوع ماسهها دارای رفتار غیرخطی بوده و با افزایش کرنش برشی، مدول برشی آنها به صورت غیرخطی کاهش مییابد .[7] نتایج آنها به صورت نمودار تغییرات مدول برشی نسبت به کرنش برشی در شکل 3 ارائه شده است.
شکل -3 تغییرات مدول برشی در مقابل کرنش برشی برای خاک های ماسه سیمانی
بنابراین در این تحقیق، برای کاهش غیرخطی مقادیر مدول برشی به ازای افزایش کرنش برشی مطابق نمودار بالا، رابطه - 1 - با استفاده از زبان برنامهنویسی FISH در نرمافزار کدنویسی شده است:
جنس لوله از نوع فولاد کربنی است و مقطع آن به صورت تعدادی المان تیری با عرض واحد و رفتار الاستیک خطی مدل شده که در محل گرهها به این نقاط متصل شدهاند.
