بخشی از مقاله
خلاصه
با انجام گودبرداري و به خصوص گودبرداري هاي عمیق، تعادل خاك برهم خورده و وضعیت تنش ها در خاك تغییر می کند. همچنین در اثر عملیات گودبرداري، تغییر شکلهایی در خاك به وجود می آید. هریک از این حالتها می توانند موجب برهم خوردن انسجام خاك یا گسیختگی آن و یا موجب برهم خوردن تعادل و پایداري سازه ي مجاور گود شود. بنابراین ازجمله موضوعات مهم در گودبرداري ها کنترل تغییر شکل هاي زمین در اثر حفاري و احداث سازه هاي نگهبان و حائل خاك براي تاسیسات زیر زمینی مربوطه است.
تغییر شکل هاي ناشی از گودبرداري به موارد مختلفی بستگی دارد که در این تحقیق سعی بر آن شده است با مدل سازي در نرم افزار Plaxis2D و با تغییر پارامترهاي چسبندگی خاك - c - ، تراز آب زیرزمینی - D.W - ، زاویه اصطکاك داخلی ، مدول الاستیسیته خاك - E - و ضریب کاهنده اندرکنش - Rinter - تغییر شکل هاي دیوار حائل و خاك پشت دیوار مشاهده و با استفاده از نمودارهاي تغییر شکل بدست آمده به تحلیل حساسیت هر یک از این پارامترها بپردازیم. نتایج تحلیل حساسیت ها نشان دهنده این است که تغییرات زاویه اصطکاك داخلی بیشترین تاثیر و چسبندگی خاك کمترین تاثیر را بر روي تغییرشکل ها دارد. همچنین نتایج نشان می دهد که نشست زمین با تغییر شکل افقی دیوار با رابطه مستقیم در حال دگرش هستند بجز حالتی که چسبندگی خاك به عنوان متغییر در نظر گرفته می شود.
واژگان کلیدي: پارامترهاي مقاومتی، تحلیل حساسیت، خاك پشت دیوار، دیوار حائل، گودبرداري
مقدمه
یکی از مسائل اساسی که در سالهاي اخیر توجه مهندسی ژئوتکنیک را به خود جلب کرده است، گودبرداري هاي عمیق جهت احداث سازه هاي متفاوت می باشد. باافزایش ساخت خطوط مترو در شهرهاي در حال توسعه و مبادرت به ساخت پی هاي عمیق، نیاز به بررسی این موضوع هر چه بیشتر احساس می گردد. همچنین خطر آسیبدیدگی و تخریب ساختمانهاي مجاور گود، خطر آسیبدیدگی تاسیسات و شریانهاي شهري در اثر گودبرداري یا ریزش گود ازجمله موضوعات مهم در گودبرداري هاي عمیق و کنترل تغییر شکل هاي زمین در اثر حفاري می باشد.
کنترل تغییر شکل هاي خاك و انتخاب سازه نگهبان مناسب از اهمیت بالایی چه از نظر کاربردي و چه اقتصادي برخوردار است که به موارد مختلفی از قبیل تراکم خاك ، اندازه دانه ها، چسبندگی، تراز آب زیرزمینی،زاویه اصطکاك داخلی، شرایط محیطی و سازه هاي مجاور، عمق حفاري مورد نیاز و دوام مورد نیاز بستگی دارد.از طرف دیگر، وجود سطح آب زیرزمینی بالا خطر ریزش گود را افزایش داده و عملیات گودبرداري را تا چند روز و رسیدن به سطح تعادل به تاخیر می اندازد. همچنین وجود جریانهاي زیرزمینی آب نظیر نهرهاي مدفون یا قناتها میتواند در افزایش خطر ریزش گود بسیار مؤثر باشد.
جریانهاي آبهاي سطحی نیز از عواملی هستند که میتوانند باعث فرسایش خاك گود و اشباع شدن آن شده و به افزایش خطر ریزش گود کمک کنند. دور نگهداشتن جریان آبهاي سطحی موجود یا محتمل - مثلاً در اثر بارندگی - از مهمترین و اصلیترین قدمهاي اولیه حفاظت گود است. با این دانسته ها، بررسی تغییرات سطوح مختلف آبهاي زیرزمینی در گود برداري هاي عمیق و تاثیرات آن در پارامترهاي ژئوتکنیکی خاك امري مهم جلوه می نماید. یکی دیگر از کاربردهاي تخمین صحیح میزان تغییر شکل خاك، استفاده در طراحی سازه هاي نگهبان می باشد.
در سال هاي اخیر محققین متعددي با استفاده از روش هاي مختلف سعی بر شناخت هرچه بهتر پارامترهاي موثر در پایداري گودها و روش هاي پایداري آنها کرده اند که از آن جمله می توان به مواردي اشاره کرد. کلاف و بوچینگنانی رابطه اي معروف به سختی موثر سیستم ارائه کرد که از آن براي طراحی سازه هاي نگهبان استفاده می شد و توانایی تخمین تقریبی حداکثر تغییر شکل افقی دیوار را داشت. چنگ و تسوئی با استفاده از المان محدود دو بعدي ایراداتی را به روش هاي قراردادي وارد کردند. گوه با استفاده از المان محدود دو بعدي روابط ترزاقی براي پایداري کف گود را مورد ارزیابی قرار داد.روابط تجربی ارائه شده در تحقیق مذکور فقط براي شمع هاي صفحه اي کاربرد دارد.
سام و بوز با استفاده از المان محدود دو بعدي مطالعات پارامتریک خود را برروي گودبرداري ها انجام دادند. آنها نشان دادند معمولا بیشتر نشست زمین محدود به فاصله 3H از محل حفاري می شود و با افزایش عمق مدفون دیوار تغییر مکان پنجه دیوار کاهش می یابد. پووه و وونگ سازه هاي نگهبان را در خاك هاي سخت با استفاده از المان محدود دو بعدي مورد بررسی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که در خاك هاي نرم دیوارهاي صلب کاربرد بیشتري دارند ولی در خاك هاي سخت نیاز به بررسی هاي بیشتري است.
زاپاتا و مدینا روشی نیمه تجربی بر اساس تخمین تغییر شکل دیوار براي طراحی سازه نگهبان ارائه کرد که مهمترین مزیت آن در نظر گرفتن رفتار کرنش سه بعدي می باشد. کونگ و تونگ با استفاده از المان محدود دو بعدي روش هاي اجرایی TDM و BUM را با هم مقایسه کردند که در آن بدون در نظر گرفتن شرایط زمین شناسی تغییر شکل در روش TDM بیشتر از BUM است. کاتزنباچ و همکاران افزایش نقش اساسی طراحی ژئوتکنیکی و تضمین کیفیت وابسته به خاك، از جمله نتایج این تحقیق توضیح چگونگی بهینه سازي سازه هاي ژئوتکنیکی بدون کاهش در ضریب اطمینان و سرویس پذیري سازه می باشد.
باباللکو چالش اولیه طراحی سازه ي اقتصادي و بی خطر براي اطمینان از مقاومت مرکز خرید واقع درهمسایگی پروژه که تصمیم گرفته شد از ترکیب دیوار شمعی و ساختار اسکلت بتنی تقویت شده استفاده گردد. این طرح یک راه حل بسیار اقتصادي با % 35 کاهش هزینه ارائه نمود. ونگانگ مطالعه پارامتریک المان محدود کرنش صفحهاي با استفاده از نرم افزار plaxis و مدل رفتاري خاك سخت شونده با درنظر گرفتن تاثیر کرنشهاي کوچک در نظر گرفته و با استفاده از نتایج مدل سازي رابطهاي شامل پارامترهایی همچون هندسه حفاري، پارامترهاي مقاومتی خاك و سختی دیوار ارائه شده ونتایج آن با دادههاي ابزار دقیق مقایسه شده است.
روش هاي تجربی متعددي براي طراحی و پیش بینی تغییر شکل هاي زمین وجود دارد. آنالیز مکانیزم تغییر شکل خاك به دلیل پیچیدگی سیستم و نیز دشواري مدل سازي آن کار راحتی نمی باشد. در این پروژه ضمن بررسی ومقایسه با استفاده از نرم افزار PLAXIS به بررسی حساسیت پارامترهاي مقاومتی خاك و تغییرات سطح آب زیرزمینی می پردازیم.
معرفی نرم افزار PLAXIS
از جمله نرمافزارهایی است که به منظور آنالیز - 1 تنش- تغییرشکل، - 2 تراوش، - 3 تحکیم، - 4 پایداري و .... سازههاي خاکی با استفاده از روش اجزاء محدود تهیه و به بازار ارائه شده است. اوّلین ویرایش این نرم افزار به منظور آنالیز دوبعدي - کرنش مسطح - سدهاي خاکی احداث شده بر روي خاكهاي نرم در قسمتهاي کم ارتفاع و پست کشور هلند و به سفارش سازمان مدیریت منابع آب آن کشور در دانشگاه صنعتی دلفت در سال 1978 تهیه گردید و سپس در سال 1993 قابلیتهاي آن گسترش یافت و توسط مؤسسه نیز مورد تأیید و پشتیبانی قرار گرفت.
از جمله بسته هاي نرم افزاري است که به منظور آنالیز تغییر شکل ها و نیز پایداري سازه هاي خاکی با استفاده از روش المانهاي محدود تهیه وبه بازار ارائه شده است. با این تفصیل که مسائل مربوط به ژئوتکنیک نیاز به مدلهاي پیشرفته تري براي مدل سازي رفتار غیر خطی وتابع زمان خاکها دارد، چرا که خاکها تحت شرایط مختلفی نظیر بارگذاري وشرایط هیدرولیکی در محیط خاك، رفتارهاي متفاوتی از خود نشان می دهند به همین منظور این نرم افزار براي تحلیل دقیق تر رفتار خاك از مدلهاي پیشرفته تري نظیر مدلهاي رفتار موهرکولمب، مدل سخت شوندگی هذلولی، مدل نرم شوندگی و مدل نرم شوندگی خزشی و .... استفاده می کند.
همچنین با این نرم افزار می توان فرایند ساخت و حفاري را توسط فعال کردن و غیرفعال کردن المانها در مرحله محاسبات مدل کرد. نمونه اي از کاربرد این قابلیت، انجام آنالیز لایه به لایه در پایداري شیبها، سدها و تونلها می باشد. در آنالیزهاي دو بعدي امکان انتخاب دو نوع المان 6 گره اي و 15 گره اي مثلثی در تحلیل ها وجود دارد که المان پیش فرض در این نرم افزار المان 6 گرهی می باشد. براي دستیابی به دقت بیشتر در محاسبات تنشها وبار وگسیختگی - خصوصا در هندسه از المانهاي 15 گرهی استفاده می شود. در پیش فرض تابع تقریب جابجائی المانها از مرتبه دوم در نظر گرفته شده است . ماتریس سختی این نوع المانها با استفاده از سه نقطه تنش حاصل می شود.
در المانهاي 15 گرهی مثلثی ، تابع تقریب جابجائی از مرتبه چهارم ونقاط تنش آن به منظور تعیین ماتریس سختی 12 نقطه در نظر گرفته شده است . این نوع المان در آنالیزهاي دقیق مهندسی بکار می رود وبراي انجام آنالیزها توسط آن نیاز به حافظه بیشتري از کامپیوتر بوده ووقت بیشتري براي تحلیل نیاز دارد. در شکل 1 موقعیت نقاط جابجائی وتنش در این دو نوع المان نشان داده شده است .موقعیت گرهها در المان 6 و 15 گرهی نرم افزار در مدلهاي مورد استفاده خود براي مدلسازي رفتار مکانیکی مواد از الگوي حالت بحرانی وحالت خاص آن الگوي بحرانی Cam-Clay اصلاح شده استفاده می کند . بنابراین سطح تسلیم در نرم افزار معرف یک بیضی در فضاي q’ و p’ است که نشان داده شده است.
سطح تسلیم مدل خاك نرم در فضاي p’ و q’ و فضاي تنش هاي اصلی در سازه هایی مانند خاکریز ، ضریب پایداري به صورت نسبت مقاومت برشی موجود به مقاومت برشی حداقل براي برقراري تعادل تعریف می شود . در نرم افزارplaxis می توان براي محاسبه ضریب پایداري، روش Phi-C Reduction را به کار گرفت، در این روش تغییر شکلهاي کلی مفهوم فیزیکی ندارد، اما تغییر شکل هاي جزئی آخرین مرحله تحلیل - هنگام خرابی - در تعیین مکانیزم خرابی مورد استفاده قرار می گیرند، ضمنا این تحلیل ها بر اساس معیار موهر کلمب انجام می گیرد.
