بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تثبيت شيب بکمک شمع هاي قائم
چکيده :
شمع مي تواند بعنوان عامل موثر جهت تثبيت و افزايش ضريب اطمينان شيرواني در برابر لغزش استفاده شود. در اين راستا، نه تنها موضوع افزايش ضريب پايداري شيب مهم است بلکه از پايداري سازه اي و ژئوتکنيکي شمع نيز بايد اطمينان داشت . در اين مقاله با استفاده از نرم افزار FLAC در محيط دو بعدي به اين مهم پرداخته شده است . براي اين منظور شمع بتني داراي رفتار الاستيک و خاک داراي رفتار الاستوپلاستيک با معيار گسيختگي موهر کولب فرض شده است .
مدلسازي بصورت کرنش مسطح انجام شده است . مطالعات پارامتريک با تغيير عوامل موثر انجام شده و اثر هر کدام بر تغييرات ضريب اطمينان پايداري شيب بررسي شده است . ميزان تغيير مکان شمع ، نمودار لنگر خمشي، نيروي برش و چگونگي تغييرات سطح گسيختگي بررسي شده و نتايج حاصل از مطالعات ارائه گرديده است . نتايج نشان مي دهد که استفاده از شمع مي تواند بطور قابل ملاحظه اي ضريب پايداري شيرواني را افزايش دهد. ميزان اين افزايش به هندسه شمع ، محل قرارگيري شمع ، فواصل شمع ها از همديگر، جنس خاک و هندسه شيب بستگي دارد که نتايج آثار هر کدام ارائه خواهد گرديد.
کلمات کليدي : شيب شمع -ضريب اطمينان -روش تفاضلهاي محدود-FLAC
١-مقدمه :
پديده زمين لغزش اغلب باعث خسارت بسيار و حتي تلفات جاني ميشود. لغزش شيبها هم در مورد شيبهاي طبيعي و هم در مورد شيبهاي مصنوع بشر افتاق ميافتد. اين پديده تبديل به يکي از مسائل اصلي مهندسي ژئوتکنيک شده است .استفاده از شمع ها به عنوان المانهاي حائل در مقابل لغزش ، مي تواند پايداري شيب را افزايش دهد. نصب شمع ، اغلب بدون آنکه تعادل شيرواني به هم بخورد ممکن ميباشد.تحليل شيبهايي که به وسيله شمع مسلح شده اندمستلزم آن است که نيروي وارد بر شمع توسط توده لغزنده و در نتيجه عکس العمل شمع شناخته شود. بعلاوه يک تحليل اصلاح شده جهت بررسي پايداري شيب مورد نياز خواهد بود. در اين تحقيق نحوه استفاده از شمع براي افزايش پايداري شيب به کمک روشهاي عددي بررسي شده است .
Ito-Matsui در ١٩٧٥[١] به دنبال يک روش تئوريک براي آناليز مکانيزم افزايش بار جانبي عمل کننده بر روي شمعها در حين عمل لغزش بودند.در اين روش نيرويي که بر يک رديف شمع اعمال ميشود را ميتوان بصورت تابعي از مقاومت خاک،قطر شمع ، فواصل ميان شمعها و موقعيت آنها بيان نمود. با فرض آن که بخشي از اين نيرو با نيروهاي مشتق از شيب خنثي ميشود، ضريب اطمينان شيب پس از نصب شمعها بصورت تابعي از ابعاد شمع و محل آن قابل تعيين است . فرض ميشود که شمعها در يک توده خاک خميري قرار دارد و از تغيير شکل خميري بيشتر آن جلوگيري ميکند. لازم است که نيروي جانبي با حداکثر دقت ممکن برآورد گردد. اين نيروها تابعي از ميزان جابجائي توده لغزنده ميباشند و از صفر(براي موقعي که جابجائي صفر است ) تا يک مقدار نهايي (مربوط به حداکثر جابجائي ) متغير است .
تئوري Ito-Matsui(١٩٧٥)[١] يک مقدار براي نيروي جانبي برآوردميکندکه بين دو حد مذکور قرار دارد.با فرض اين که هيچ گونه کاهش مقاومت برشي در طول سطح لغزش به وقوع نپيوسته است . به همين دليل ، تنها خاک اطراف شمع در شرايط تعادل پلاستيک قرار دارد و معيارگسيختگي مور-کولمب راارضاميکند.Ito-Matsui[٢]درسال ١٩٧٩ يک روش طراحي براي شمعهاي مسلح کنده شيبها با در نظر گرفتن يک سطح لغزش معين ارائه نمودند وهمچنين در اين مورد استفاده از روش معمولي قطعه را جهت محاسبه ضريب اطمينان توصيه کرده اند. با اين حال ، چون با افزايش تعداد شمعها، موقعيت سطح بحراني نيز تغيير ميکند، استفاده از روش فوق محدود است .
٢- ضريب اطمينان شيبهاي غير مسلح و مسلح
پايداري يک شيب با استفاده از روش هاي تعادل حدي، از جمله روش دايره اصطکاکي و روش قطعه قابل آناليز است . اما به تجربه ثابت شده است که روش دايره اصطکاک در مورد شيبهاي همگن بسيار راحت تر است . محاسبات تعادل حدي بر مبناي يک شکل مشخص براي سطح گسيختگي ميباشد.
ضريب اطمينان (FOS) نسبت مقاومت برشي موجود به مقاومت برشي لازم براي نگهداشتن شيرواني در حالت تعادل حدي خواهد بود. با فرض معيار گسيختگي Mohr-Coulomb ضريب اطمينان از رابطه زير بدست ميآيد:
که انديس a نشان دهنده مقادير موجود و انديس r نشانگر مقادير لازم است . n... نيروي نرمال وارد بر سطح گسيختگي ميباشد. براي کمک به تعيين دقيق تر ضريب اطمينان FOS، ميتوان مقادير FC ضريب اطمينان مربوط به چسبندگي و ... ضريب اطمينان مربوط به اصطکاک که در گذشته مورد استفاده بوده اند را در نظر گفته ومحاسبات راطوري تنجام داد که برابر FOS گردند.
هنگامي که يک رديف شمع در داخل شيب قرار داده ميشود، ضريب اطمينان و موقعيت سطح بحراني تغيير ميکند؛ چراکه مقاومت فراهم شده توسط شمعها در روابط معرفي شده است . افزايش بيرويه مقدارنيروي وارده به شمع باعث نتايج غير محافظه کارانه اي در طراحي شيب ميگردد.بهتر است از نتايج عملي نيز براي محاسبه نيروي جانبي وارده ، استفاده نمود. با توجه به فرضيات (١٩٧٥)Ito-Matsui نيروي وارده بر شمع برابر است با Fp و عدد پايداري از رابطه زير قابل محاسبه مي باشد:
که H ارتفاع شيب است . تا وقتي که باشد معادله فوق براي Fc با روش درون يابي قابل حل است ، در نتيجه نيروي محرک شمع با توجه به ضريب ايمني کاهش مييابد.
Gunaratue.M &Chameau.J.L &Hassiotis.S درسال ١٩٩٧ [٣]روشي را براي محاسبه سطح بحراني شيب مسلح با يک رديف شمع ارائه کردند که در آن سطح بحراني با استفاده از نيروي اصلاح شده بدست ميآيد و در بين دو سطح بحراني حاصل از حالتهاي بدون شمع و به همراه شمع قرار خواهد گرفت .
٣- تحليل عددي شيب و طراحي شمع با استفاده از روش تفاضلات محدود
براي مسلح کردن موثر يک شيرواني خاکي با شمع ، نه تنها بايد از پايداري شيب اطمينان حاصلکرد بلکه طراحي شمعها بايد به نحو مناسب و بهينه صورت گيرد. پارامترهايي که در پايداري شيب موثرند در اينجا مورد تحليل قرار ميگيرند و يک روند گام به گام براي انتخاب اين پارامترها و رسيدن به شبکه پايداري مناسب معرفي ميشود. يک روش براي تثبيت شيروانيها ارائه و ضريب اطمينان شيب ، تغيير مکان ، لنگر خمشي، پروفيل برش در طول شمع و سطح لغزش در مقطع محاسبه ميشود. در نهايت يک مثال طراحي سازه اي ارائه شده تا چگونگي اصلاح پارامترهاي مختلف براي رسيدن به طراحي بهينه مشخص شود. اين مثال با استفاده از روش تفاضلات محدود، در حالت کرنش مسطح مورد بررسي قرار گرفته است .
تحليلهاي عددي بيانگر اين مطلب هستند که تثبيت شيروانيهاي با شيب کم با استفاده از شمع روش مناسبي براي افزايش ضريب اطمينان است . Shmuelyan [٤]با آناليز عددي به اين نتيجه رسيد که ميتوان ضريب اطمينان شيبها را با يک رديف شمع تا ٦٠% افزايش داد که در بسياري از حالات اين مقدار کافي ميباشد. ضريب اطمينان با کاهش فاصلۀ بين شمعها افزايش پيداميکند. تحقيقات انجام شده توسط Ugaiو Cai[٥] و مقايسه روشهاي عددي به ويژه FEM و روش تعادلات حدي (LEM) در شرايط دو بعدي نشاندة اين مطلب است که روشهاي عددي با مدل رفتاري موهر-کلمب روش مناسبي براي آناليز شيبهاي تثبيت شده با شمع ميباشند، اگر چه ضريب اطمينان به دست آمده توسط FEM بانتايج بدست آمده توسط روش تعادلات حدي تفاوت دارد. ضريب اطمينان محاسبه شده با FEM موثق تر از روش تعادلات حدي است .
شيب نشان داده شده در شکل ١ به ارتفاع ١٣.٧ مترو زاويه شيب ٣٠ درجه و تشکيل شده از مصالح خاکي همگن با زاويه اصطکاک داخلي ١٠درجه و چسبندگي و وزن مخصوص ميباشد. مدل تخصيص داده شده به خاک بستر و شيب موهر-کلمب ميباشد. براي آناليز اين m٣شيب از روش تفاضلات محدود و برنامۀ FLAC4 استفاده شده است . با استفاده از اين روش آناليز ميتوان بسياري محدوديتها نظيرعمود بودن شمع و ... (Poulas٢٠٠٦ و xu)[٦] را رفع نمود. خطوط شبکه به کار رفته و مشخصات شيب در شکل ١ نشان داده شده اند. سطح بحراني شيب غير مسلح در شکل ٢ نشان داده شده و حداقل ضريب اطمينان متناظر ١.١٣ است . از آنجا که ضريب اطمينان ١.١٣ کافي نيست ، توصيه ميشود که شيب بوسيله شمع ، مسلح شود. گام هاي زير جهت رسيدن به يک طراحي مناسب براي سيستم «شمع - شيب » ارائه ميشود.
١- گاهي فاصله افقي S ، ما بين شمع و پنجه شيب ، به دليل شرايط ساختگاه اجباراً مقدار مشخصي انتخاب ميشود و گاهي هم در انتخاب آن آزادي عمل وجود دارد. در اين مثال مقادير متفاوت S مورد بررسي قرار ميگيرد.
٢- ضريب اطمينان شيب مسلح بصورت تابعي از قطر شمع (b)، فواصل مرکز به مرکز شمعها (D١) فاصله رديف شمع از پنجه شيب (S) قابل تعيين است . اثر هر دو عامل آرايش شمعها و قطر آنها بر روي ضريب اطمينان به سادگي قابل بيان ميباشد. اين کار با ترسيم نمودار FOS در مقابل نسبت براي يک مقدار S مشخص ، انجام ميگيرد.(شکل ٣)
٣- يک ضريب اطمينان قابل قبول براي شيب انتخاب ميشود. براي اين مثال ، عدد ١.٤ به عنوان ضريب لازم فرض ميشود.
٤- با توجه به FOS لازم ،ميتوان از شکل ٣ نسبت را انتخاب کرد. از انتخاب مقادير بزرگ براي بايد اجتناب شود.
٥- در حالت طراحي اوليه ، قطر شمعها را به دلخواه انتخاب ميشوند. در مثال حاضر قطر شمعها ٦١.. متر فرض ميشود. براي پيداکردن طول شمع ،يک شمع با طول نامحدود مورد آناليز قرار مي گيرد و نقطه اي که در آن ، مقاديرلنگرخمشي ونيروي برشي به صفر ميل ميکنند مشخص مي شود. هر چه شمع را از اين نقطه به بعد در خاک فرو ببريم موجب افزايش پايداري نخواهد شد
شکل ١ - موقعيت شيب در مثال مورد بحث
شکل ٢ - پلات شکست شيب غير مسلح
