بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه با پیشرفت فناوري، امکان طراحی و ساخت دقیقتر سازههاي زیرزمینی مانند تونلها فراهم شده است. با این وجود، آنالیز سازههاي زیرزمینی به دلیل اندرکنش با محیط نامحدود خاکی یا سنگی اطراف و بخصوص تحت بارهاي دینامیکی مانند زلزله بسیار پیچیده میباشد. در این مقاله تحلیل دینامیکی پوشش نهایی تونل واقع در دامنه بررسی شده است. بدین منظور با استفاده از دادههاي یک تونل در دسترس، اثر بار زلزله بر پوشش نهایی تونل در نرم افزار FLAC2D مدلسازي شد. سپس نیروهاي محوري و ممان خمشی ناشی از بار زلزله بر روي پوشش محاسبه شد. در نهایت با استفاده از نمودار اندرکنش نیروي محوري-ممان خمشی قابلیت سیستم نگهداري بررسی شده است. نتایج نشان دادند که در محیط مورد نظر، پوشش کف بند ضروري بوده و پوشش با ضخامت 50 سانتیمتر و آرماتوربندي مناسب کفایت لازم را خواهد داشت.
کلمات کلیدي: پوشش تونل، کف بند تونل، بار زلزله، نیروهاي پوشش
.1 مقدمه
در حال حاضر در بسیاري از جوامع مدرن و در حال توسعه، بخش عمدهاي از سازههاي زیربنایی را سازههاي مدفون تشکیل میدهند. در میان اینگونه سازهها، تونلها با توجه به گستره کاربرد از اهمیت ویژهاي برخوردارند. تا قبل از سال 1995 توجهی به تاثیر زلزله بر روي تونلها صورت نمیگرفت. اما در زلزلههاي دهه 90 خسارات عمدهاي ناشی از زلزله به تونلها وارد شد. از جمله میتوان به خرابیهاي بیش از %85 تونلهاي مطالعه شده در زلزله چی چی تایوان [1] و ریزش تونل Bolu در ترکیه [2] اشاره کرد. توجه به این موارد لزوم طراحی مناسب در برابر بارهاي دینامیکی ناشی از زلزله را بیش از پیش مشخص میسازد.
بر خلاف اغلب بارهاي دینامیکی، پیش بینی حرکات ناشی از زمین لرزه بسیار دشوار بوده و تا زمانی که زلزله به وقوع نپیوندد، نمیتوان به درستی در مورد مشخصات و حرکات آن اظهار نظر نمود. زلزلهها بارگذاري پیچیدهاي با مولفههاي حرکت در یک محدوده وسیعی از فرکانس ایجاد میکنند. محتوي فرکانسی، نحوه توزیع دامنه حرکات زمین را در فرکانسهاي مختلف تشریح میکند. چون محتوي فرکانسی حرکات زلزله شدیداً تحت تاثیر اثرات آن حرکات میباشد، لذا تعیین خصوصیات آن حرکت بدون در نظر گرفتن محتوي فرکانسی آن امکان پذیر نیست.[3]
گستردگی و پراکندگی عوامل موثر در طراحی لرزهاي سازههاي زیرزمینی، موجب ایجاد طیف وسیعی از روشها و نظریهها در این خصوص شده است که میتوان به روشهاي تجربی، تحلیلی، مدل فیزیکی، شبه استاتیکی و عددي اشاره کرد. از اولین مطالعاتی که در مورد خسارات ناشی از زلزله بر روي فضاهاي زیرزمینی صورت گرفته است، میتوان به مطالعات داودینگ و روزن در سال 1978، مطالعات اون و شول در سال 1981،مطالعات اوکاموتو در سال1984 در کشور ژاپن و مطالعات شارما و جوود در سال 1991 اشاره کرد. اکثر این مطالعات در ارتباط با درصد خسارت وارده به تونلها در اثر وقوع زلزله میباشد.[2]
روشهاي تحلیلی بر اساس تئوري انتشار امواج در لایههاي همگن، ایزوتروپ و الاستیک استوار هستند. این روش رفتار سازه را به دو صورت میدان آزاد و اندرکنش سنگ- سازه در نظر میگیرد و کرنشهاي محوري، خمشی و برشی لحظهاي را در هر مقطع از سازه مدفون ناشی از امواج فشاري، برشی و سطحی تعیین میکند.[2]از مهم ترین این روشها میتوان به 3 روش تحلیلی ونگ [4] - 1993 - ، پنزین [5] - 2000 - و کوریگلیانو[6] - 2007 - اشاره کرد. بصیرت و همکاران - 1392 - روشهاي تحلیلی را براي یک مطالعه موردي تحت شرایط لغزش کامل و بدون لغزش مقایسه کردند.[7]
با توجه به گسترش روز افزون نرم افزارهاي عددي، استفاده از این روش براي تحلیل دینامیکی سازهها و به خصوص سازههاي زیرزمینی به طور چشمگیر افزایش یافته است. به منظور بررسی اثر زلزله بر روي تونلها به روشهاي عددي نیز مطالعات گستردهاي انجام شده است. در این زمینه به بررسیهاي نیروهاي ایجاد شده در پوشش تونلها تحت بار زلزله با توجه به سطح تماس پوشش با محیط اطراف پرداخته شده است.[11-8] Motaal و همکاران به بررسی اندرکنش لرزهاي بین تونل و محیط اطراف - خاك دانهاي خشک - پرداختند. نتایج نشان داد که حداکثر کرنش ایجاد شده در پوشش مستقیماً به سختی پوشش و محیط اطراف - ضخامت پوشش و مدول برشی خاك - بستگی دارد.[8]
Boldini و همکاران - 2010 - ، تحلیل دینامیکی تونلهاي کم عمق در خاك رس نرم را با استفاده از روش المان محدود انجام دادند. در مدل ساخته شده محیط اطراف به صورت مدل رفتاري ویسکو-الاستیک مدلسازي شده است. نتایج آنها نشان داد مدل رفتاري جدید نتایج قابل توجهی نسبت به حالت مدل رفتاري الاستیک بر روي نیروهاي ایجاد شده در پوشش تونل تحت بار زلزله دارد.[11 ]با توجه به کلیه مزایا و معایب در روشهاي مختلف، باید اذعان داشت که اگرچه روشهاي تحلیلی از ساده ترین و کم هزینه ترین روشهاي تحلیل در اشکال متعارف سازه هاي زیرزمینی علی الخصوص تونلها هستند، اما روشهاي عددي تنها روش دقیق اما بسیار پر دردسر براي تحلیل واقعی مسائل اندرکنش خاك و سازه با هر مدلی میباشند. در این مقاله تاثیر مفصل در کف بند تونلها بر نیروهاي ایجاد شده در پوشش نهایی تونلها تحت بارگذاري زلزله بررسی شده است.
.2 مشخصات هندسی و نحوه پایدارسازي تونل
تونل مورد تحلیل با مقطع نعلی شکل با ارتفاع حدود 10 متر و عرض حدود 7/1 متر میباشد که در شکل 1 نشان داده شده است. دهانه تونل تونل در یک توده ضعیف خاکواره که در معرض دگرسانی شدید قرار گرفته و تبدیل به خاك شده است حفاري شده است. ارتفاع روباره در مقطع مورد بررسی حدود 20 متر میباشد. سیستم تحکیم تونل شامل شاتکریت به ضخامت 20 سانتیمتر، قاب فولادي IPE به فواصل 0/5 متر، ناحیه تزریق بر اساس چالهایی به طول 6 متر میباشد. پوشش دائم نیز به ضخامت 50 سانتیمتر در نظر گرفته شده است.
.3 مدلسازي عددي
بدین منظور یک تونل واقعی با استفاده از روش تفاضل محدود و در نرم افزار FLAC مدلسازي شد. شکل 2، ابعاد تونل، مش بندي مدل و شرایط مرزي در حالت استاتیک را نشان میدهد. به منظور دقت در مدلسازي، مش بندي در اطراف تونل ریزتر در نظر گرفته شده است. خصوصیات ژئوتکنیکی محیط در جدول 1 آورده شده است. فرضیات در نظر گرفته شده در مدلسازي عددي عبارتند از:
- مدل رفتاري براي محیط اطراف به صورت مدل مور-کلمب میباشد.
- لاینینگ تونل به صورت الاستیک در نظر گرفته شده است.
- مدل به صورت کرنش صفحهاي شبیه سازي شده است.
.3.1 اصلاح شتابنگاشت زلزله
مقدار بیشینه شتابنگاشتهاي مورد استفاده با بیشینه شتاب بدست آمده از تحلیل خطر زلزله که 0/55g است، متفاوت است. بنابراین لازم است تا شتابنگاشت پایه نسبت به مقادیر مورد نظر مقیاس شود. ضریب مقیاس به صورت نسبت بیشینه شتاب هدف به شتاب پایه تعریف میگردد. با ضرب کردن ضرایب مقیاس اخیر در تاریخچه شتاب، تاریخچه زمانی شتاب زلزله طراحی را بدست میآید. در شکل زیر تاریخچه شتاب و سرعت اصلاح شده جهت تحلیل نشان داده شده است.سپس باید محتوي فرکانس تاریخچه زمانی شتاب اصلاح گردد. به همین منظور و براي جلوگیري از اعوجاج موج در مدل و انتشار صحیح آن باید رابطه زیر برقرار باشد، لازم است تا بزرگترین بعد المان از یک دهم تا یک هشتم طول موج بزرگترین فرکانس موج ورودي باشد. بزرگترین بعد المان را میتوان به صورت زیر تعیین نمود:[12]
