بخشی از مقاله
خلاصه
در این پژوهش با افزودن معادلات سازگاری تغییر مکانها به معادلات تعادل نیروها و لنگرها، سعی در بهبود روشهای مرسوم تعادل حدی در شیب های مسلح شده با میکروپایل ها شده است. همچنین تسلیم میکروپایل ها در ترکیب تنش های محوری و برشی در نظر گرفته شده و نیروهای ایجاد شده در آنها در اولین تسلیم ژئوتکنیکی و یا سازه ای محاسبه می گردند. این رویکرد باعث می شود ضمن نزدیک شدن شیب مدلسازی شده به شرایط واقعی در بر هم کنش میکروپایل ها و خاک، به جای استفاده از محاسبات پیچیدهتر مبتنی بر رویکردهای تفاضل محدود و یا اجزای محدود، از معادلات متداول و ساده استفاده شود. نتایج حاصل از تحلیل - ضرایب اطمینان پایدارسازی و تغییر مکانهای ایجاد شده در میکروپایلها - مدلهای ایجاد شده در نرم افزارPLAXIS با تغییر پارامترهای مقاومتی میکروپایل ها و خاک و شیب های بدون تسلیح مقایسه می شوند.
.1مقدمه
در گذشته روشهایی تحلیلی با فرضیات متفاوتی برای تحلیل و طراحی شیب های مسلح شده با میکروپایل ها ارائه شده است .[1] روشی منطقی برای تحلیل شفتهای حفر شده برای پایداری شیبها با فرض عمودی بودن شمع ارائه می دهد و تنها نیروی افقی اعمال شده به وسیله خاک لغزنده بالای صفحه لغزش را درنظر میگیرد. این روش از رویکرد P-Y بر پایه اصول اثر متقابل شمع- شیب برای تعیین نیروهای افقی عمل کننده روی شمع استفاده میکند. و حالت حدی، شکست میکروپایل را در خمش فرض می کند و مقاومت تأمین شده بوسیله میکروپایل ها را بر این اساس محاسبه میکند و سپس پتانسیل رخ دادن مکانیزم دیگر شکست یعنی شکست خاک حول و بین شمعها و جریان یافتن خاک را کنترل میکند. یک فرض مهم دیگر در این روش آن است که نیروهای محوری تولید شده در میکروپایل ها فقط با افزایش مقاومت جانبی تولید شده توسط میکروپایل ها پایداری آنها را افزایش میدهند. مؤلفههای محوری عمود بر صفحه لغزش به صورت آشکار در تحلیل پایداری شرکت نمیکنند. بنابراین اثراتی مثل کاهش نیروی نرمال روی قطعات صرفنظر میشود. لوهر و بودرز2 یک روش ساده شده برای پیشبینی مقاومت حدی مسلح کننده پلاستیک بازیافت شده برای پایدارسازی شیبها ارائه کرده اند .[2] در این روش که بر پایهی تحلیلهای الاستیک است، دو مکانیزم کلی شکست برای توزیع مقاومت جانبی حدی بین اعضای مسلح کننده درنظر گرفته میشود:-1شکست خاک حول یا بین اعضای مسلح کننده. -2 شکست سازهای اعضای مسلح کننده به علت بسیج شدن نیروها از خاک دربرگیرنده اعضا. مکانیزم شکست خاک میتواند در بین خاک بالای صفحه لغزش یا درون خاک زیر صفحه لغزش رخ دهد. مکانیزم شکست سازهای میتواند در خمش و برش رخ دهد. هر کدام از این حالات حدی به عنوان تابعی از موقعیت عضو و تابع مقاومت حدی ترکیبی که ورودیهای تحلیل تعادل حدی هستند،
مقاومت حدی برای مکانیزم شکست خاک با فرض اینکه فشار حدی خاک به طور کامل در کل طول شمع بالا و پایین سطح لغزش بسیج میشوند، محاسبه میشود. این روش همچنان فرض میکند که نیروی مقاومت حدی عمود بر عضو مسلح کننده در صفحه لغزش عمل میکند. چون عمق صفحه لغزش بحرانی نامشخص است، مقاومت حدی برای اعماق متغیر لغزش برای بدست آوردن مقاومت حدی به عنوان تابعی از موقعیت در طول عضو مسلح کننده محاسبه میشود. این روش فقط مقاومت جانبی تأمین شده بوسیله اعضای مسلح کننده را درنظر میگیرد و سهم نیروی محوری درنظر گرفته نمیشود. با وجود اینکه واضح است که نیروهای محوری میتوانند تأثیر مهمی روی پایداری داشته باشند. فصل 6 راهنمای طراحی و ساخت میکروپایل - - FHWA1 یک فرآیند 13 مرحلهای را برای طراحی شیبهای پایدار شده با میکروپایل ها ارائه میدهد .[4] به طور خلاصه روش FHWA مقاومت تولید شده بوسیلهی میکروپایل ها را با فرض اینکه حالت حدی شکست میکروپایل در خمش است و سپس چک کردن امکان رخ دادن مکانیزم جریان یافتن و شکست خاک بین شمعها ، محاسبه میکند. فرض مهمی که در آن وجود دارد آن است که نیروهای محوری که در میکروپایل ها تولید میشوند، فقط پایداری میکروپایل را با افزایش مقاومت جانبی تأمین شده بوسیله میکروپایل افزایش میدهند. مؤلفههای محوری عمود بر صفحهی لغزش به صورت آشکار در تحلیل پایداری درنظر گرفته نمیشوند، بنابراین تأثیرات مانند کاهش نیروی نرمال روی قطعه - و بعد از آن امکان کاهش مقاومت برشی - صرفنظر میشود. مجموع مقاومت جانبی برای هر میکروپایل به عنوان ورودی تحلیل پایداری استفاده شده است. در مجموع این روش مقاومت تأمین شده بوسیله میکروپایلها را با فرض اینکه حالت حدی شکست شمع در خمش و متعاقباً کنترل امکان شکست خاک منجر به جریان خاک بین میکروپایل هاست، محاسبه میکند.
چون میکروپایل ها المانهایی منفعل هستند، نیروهای محوری و برشی آنها با حرکت به سمت پایین شیب در آنها بسیج میشوند .برای درنظرگیری اثر پایدارسازی میکروپایل ها مقاومت بسیج شده باید به صورت تابعی از حرکت شیب تخمین زده شود .[5] با درنظر گرفتن خاک به صورت یک سری فنر غیرخطی با منحنیهای P-Y که با استفاده از کورولیشنهای سختی و فشاری حدی با خصوصیات خاک بدست میآید. از تحلیلهای LPILE ، تغییر مکانها، فشارهای عکسالعمل خاک، نیروهای برشی و لنگرهای خمشی در طول شمع به دست میآید سپس با استفاده از رویکرد تعادل حدی، معادلات تعادل نیروها برای شیب نوشته شده و نیروها به صورت تابعی از حرکت شیب، بدون توجه به تغییر مکانی که باعث تسلیم میشوند، در نظر گرفته می شوند. با حل معادلات تعادل و در نظر گرفتن مقدار فرضی برای ضریب اطمینان پایداری شیب، تغییر مکان آستانه حرکت شیب و در نتیجه نیروهای ایجاد شده در میکروپایل ها ناشی از این حرکت تعیین می شود.
.2روش های تعادل حدی کلاسیک
روش های تعادل حدی به عنوان روش های ناپیوسته2 شناخته می شوند که در آنها رفتار شمع و خاک به صورت مجزا در نطر گرفته می شود و رفتار واقعی تنش و کرنش در خاک را در محاسبه ضریب اطمینان در نظر نمی گیرند لذا محدودیت های روش های تعادل حدی کلاسیک در صورت استفاده از مسلح کننده بیشتر نمایان می شود. این روشها فقط معادلات تعادل استاتیکی را ارضا می کنند و معادلات سازگاری تغییر مکانها را در نظر نمی گیرند. در تحلیل تعادل حدی سختی خاک و مسلح کننده در نظر گرفته نمی شود و از هر گونه اثرات متقابل شمع- خاک صرفنظر میشود، بنابراین برای شرایط شمعهای ترکیبی، شرایط خاک لایه- لایه مناسب نیست و نیاز به فرضیات غیر صحیحی دارد که بارهای مسلح کننده بتواند حالت تنش خاک را منعکس کند. در این روش ها، اصلاح تنش های موضعی در طول صفحه شکست خاک در مجاورت مسلح کننده در نظر گرفته نمی شود. این روش ها رفتار خاک را در نظر نگرفته و در نتیجه ضریب اطمینان در کل صفحه لغزش ثابت می ماند. این گونه روشها، هیچ تعریف و اطلاعاتی از اندازه حرکت خاک مورد نیاز برای بسیج شدن ظرفیت نهایی شمع، یا از رفتار بار، جا به جایی در بارهای کمتر از آنهایی که باعث شکست می شود، بدست نمیدهد و همه المانها را حالت نهایی در حد تسلیم در نظر می گیرد .[6] شکل صفحه لغزش بحرانی باید با سعی و خطا محاسبه شود. شروع شکست و گسترش آن نا معلوم بوده و در انتها تنش های اولیه در تحلیل های تعادل حدی در نظر گرفته نمی شود .[7]
.3مطالعه حاضر
هدف از پژوهش حاضر، کاهش نقایص روش تعادل حدی کلاسیک با در نظر گرفتن معادلات سازگاری تغییر مکان ها و در نظر گیری اثر تغییر مکانها در تعیین نیروهای بسیج شده در میکروپایل است. این موضوع باعث می شود که بر خلاف نرم افزارGEOSLOPE که از فرضیات روشهای کلاسیک تعادل حدی برای تحلیل و نعیین نیروها استفاده میکند، نیروهای ایجاد شده در المان مسلح کننده خاک در صفحه گسیختگی در حالت حدی خود در نظر گرفته نشوند و مقدار واقعی آنها با توجه به تغییر مکان وارده بر خاک در زمان گسیختگی شیب بدست آید. ضمن اینکه با استفاده از معیارهای ارائه شده معمولاً میکروپایلها در زمره شمعهای منعطف قرار میگیرند و در نتیجه تسلیم میکروپایلها قبل از گسیختگی خاک اتفاق میافتد .[8] در نتیجه گسیختگی شیب مسلح شده با میکروپایل معمولا با تسلیم میکروپایل قبل از گسیختگی خاک رخ می دهد. که در این پژوهش بر خلاف روش های پیشین، این معیار تا حدی لحاظ می گردد. با در نظر گرفتن مکانیزم تسلیم میکروپایل ها بصورت ترکیبی از تنشهای وارده میتوان تحلیل پایداری شیب را با دقت بیشتری انجام داد که این موضوع در روش های مرسوم تعادل حدی در نظر گرفته نمیشود و تسلیم مسلحکنندهها به صورت فقط کششی و یا فقط برشی در تحلیل پایداری شیب لحاظ میشود. همه این موارد باعث تولید نتایج و ایجاد شرایط واقعی تر رفتار تنش- کرنش خاک و میکروپایل ها و البته تحلیل و طراحی اقتصادی تر و در نتیجه استفاده معمول تر از آنها در شرایط حساس و خاصی می شود که استفاده از آنها بهترین روش تسلیح شیب برای بالا بردن ضریب اطمینان است. ضمن اینکه با توجه به تطبیق بالای نتایج با روش المان محدود PLAXIS که شرایط تنش -کرنش واقعی خاک را در نظر میگیرد ولی از محاسبات پیچیده ای برخوردار است، با استفاده از این پژوهش می توان با محاسبات ساده تعادل حدی نیز به رفتار واقعی خاک نزدیک شد.
.4تعریف مساله و معادلات استفاده شده
شیب مورد نظر در این پژوهش از خاک سیمانته شده با چسبندگی C ، زاویه اصطکاک داخلی Ø ، چگالی γ ونسبت پواسون νs به صورت شکل زیر تعریف می شود. ارتفاع شیب H و زاویه آن نسبت به افق α می باشد. این شیب توسط یک زوج میکروپایل که بوسیله یک کلاهک در بالای شیب به هم متصل شده اند مسلح می شود. زوایه میکروپایل ها نسبت به یکدیگر مقدار ß در نظر گرفته شده و تمایل این دو پایه نسبت به محور عمود مساوی و برابر ß⁄2 میباشد. صفحه گسیختگی فرضی با زوایای Ɵ1 و Ɵ2 به صورت دو خطی در نظر گرفته شده است. با وارد شدن پروفایل حرکت خاک به مقدار Ws به شیب به صورت ثابت و یکنواخت، شیب حرکت کرده و نیروهایی در میکروپایل ها بسیج می شوند.
شکل -1 هندسه شیب مسلح شده با میکروپایل
نیروهای نرمال و مماسی هر قطعه در محل صفحه گسیختگی، نیروهای برشی ، محوری و خمشی میکروپایل در حالت بحرانی - محل صفحه گسیختگی - ، نیروهای نرمال و مماسی بین قطعات و نیروی وزن هر قطعه، نیروهایی هستند که در معادلات تعادل وارد می شوند.ابعاد شیب بر حسب ارتفاع H و زوایای و 1 و 2 ، معرفی می شوند، همچنین نیروهای یاد شده نیز هر کدام به صورت زیر برای هر قطعه شیب تعریف شده و برای تحلیل پایداری شیب مسلح ، در معادلات تعادل نیروها وارد می شوند تعدادی از نیروها و فواصل و همچنین ضریب اطمینان پایداری شیب جز مجهولات بوده و از حل معادلات تعادل و سازگاری تعیین می شوند. با تبدیل شیب به دو قطعه معادلات تعادل نیروهای افقی، قائم و لنگر خمشی حول نقطه O برای قطعه پایین دست شیب به صورت زیر نوشته می شوند:
