بخشی از مقاله
خلاصه
در سالهاي اخیر گسترش چشمگیري در گودبرداريهاي عمیق، درون محیط شهري مشاهده شده است. ضریب اطمینان پایداري این گودها در حین بهرهبرداري وابستگی شدیدي به عملکرد صحیح انکرها دارد. درنتیجه شناخت رفتار انکرها بسیار ضروري به نظر میرسد. اما با توجه به محیط سه فازي انکرها - فولاد، دوغاب و خاك - پیشبینی این رفتار بسیار دشوار است. در این تحقیق با استفاده از دادههاي آزمون کشش بهدستآمده از یک گود اجراشده، ابتدا به تحلیل آماري رفتار انکرهاي کشیده شده، پرداخته شده و سپس با توجه به پارامترهاي مؤثر، تغییر شکلها پیشبینیشده است. در پیشبینی رفتار انکرها، از شبکه عصبی مصنوعی بهعنوان ابزاري قدرتمند در دریافت روابط غیرخطی استفاده شده است. با به دست آوردن تنظیمات موفق براي چند نوع شبکه عصبی و مقایسه آنها، و همچنین بهکارگیري روشهاي مختلف در مدلسازي دادهها، سعی شده است یک روش مناسب جهت ارائه عملکرد مناسب در پیشبینی رفتار انکرها معرفی گردد.
کلمات کلیدي: انکر3، شبکه عصبی مصنوعی4، مدلسازي5، پیشبینی6
.1 مقدمه
در سالهاي گذشته گسترش چشمگیري در بلندمرتبهسازي در محیطهاي شهري و بهتبع آن گودبرداريهاي عمیق، مشهود بوده است. یکی از روشهاي اقتصادي و سریع در گودبرداريها استفاده از سازههاي انکر شده7 است. ضریب اطمینان پایداري دیوارههاي گود وابستگی شدیدي به عملکرد مناسب و صحیح انکرها در انتقال نیرو به قسمت پایدار خاك دارد. به عبارتی انکر، بهعنوان قسمتی از سازه، در پایداري کلی و اندرکنش خاك-سازه شرکت میکند. بااینحال رفتار انکر در یک الگوي بار-تغییر شکل تاندون نمایش داده میشود که بسیار پیچیده بوده و بهسختی مستعد پذیرش تحلیل دقیق است. درنتیجه شناخت و تحلیل رفتار انکرها حین آزمون کشش جهت بهبود عملکرد آنها در پایدارسازي دیوارههاي خاکی ضروري به نظر میرسد. انکرها بسته به شرایطی که در آن قرار دارند، تحت آزمون کشش، رفتارهاي متفاوتی از خود نشان میدهند. رفتار انکرها با توجه به موقعیت نمودار تنش-کرنش - نیرو-تغییر شکل - آنها نسبت به حالت الاستیک در آزمون کشش قابلبررسی خواهد بود. در این بخش اشاره کوتاهی به منابع خطا بهعنوان عوامل مسبب انحراف مسیر نمودار تنش-کرنش واقعی نسبت به نمودار تنش-کرنش الاستیک، خواهد شد.
- خطاي انسانی: در اکثر آییننامهها خطاي مجاز انسانی برابر % ±10 در نظر گرفته میشود.[1] یک از مهمترین عواملی که سبب انحراف نمودار تنش-کرنش واقعی نسبت خط الاستیک میشود اصطکاك است. اصطکاك میتواند اشکال مختلفی داشته باشد. در اینجا منظور از اصطکاك، هر عاملی است که مانع انتقال کامل نیرو از طول آزاد به طول باند شود.
- اصطکاك گوههاي سر انکر: در این حالت با خارج نشدن گوهها و درنتیجه آزاد نشدن استرند، مقدار زیادي از نیرو مستهلک میشود. در[2] با استفاده از روابط نیروي شرط لازم براي آزاد شدن استرند به صورت رابطه - 1 - تعیین شده است. به طوريکه در این رابطه φB، زاویه اصطکاك بین سر انکر و گوه، φC، زاویه اصطکاك بین گوه و استرند و α، زاویه مخروطی گوه است.
- اصطکاك در طول آزاد انکر: در این مورد مشاهده خاصی وجود نداشته، ولی با توجه به آسیبپذیر بودن شلنگها، آسیب دیدن آنها در هنگام جاگذاري استرند اجتنابناپذیر خواهد بود. که درنتیجه آسیب دیدن شلنگ، دوغاب در مرحله تزریق، به داخل آن نفوذ کرده و سبب مستهلک شدن نیرو میگردد.
- منحنی بودن گمانه حفاريشده و تاب خوردگی1استرند: مسیر حفاري گمانه در برخورد با موانع میتواند از مسیر مستقیم خارجشده - بهخصوص در طولهاي بلند - و بهصورت منحنی حفاري شود. تاب خوردگی استرند نیز اثري مشابه منحنی بودن گمانه دارد. در [3]، رابطه - 2 - براي محاسبه نیرو در طول تاندونی که داراي انحنایی بهصورت قطاعی از محیط یک دایره و تاب خوردگی است، پیشنهاد شده است.
در این رابطه F2، نیرو در فاصله L از صفحه بارگذاري، F1، نیرو در صفحه بارگذاري، μ، ضریب اصطکاك بین تاندون و محیط اطراف، α، زاویه مرکزي مربوط به قطاع بر اساس رادیان و K، ضریب اصطکاك بین استرند با محیط اطراف در اثر تاب خوردگی خواهد بود.
- پر بودن گمانه از دوغاب: در این حالت اگر گمانه پس از تزریق کاملاً با دوغاب پرشده باشد، بهطوريکه دوغاب در قسمت طول آزاد با رویه شاتکریتی در تماس باشد، هنگام آزمون کشش - با توجه به اینکه دوغاب در طول آزاد تحتفشار است - ، نیرویی در جهت محور انکر از دوغاب به رویه - پشت صفحه - وارد خواهد شد.
- شکست دوغاب در طول باند: نیروي محوري در دوغاب از فشاري در طول آزاد به کششی در طول باند تغییر میکند. با توجه به مدول شکست کششی پایین دوغاب، از همان گامهاي اولیه بارگذاري، دوغاب گسیخته میشود. درنتیجه با پیشروي آزمون کشش از طول باند کاسته و به طول آزاد افزوده خواهد شد. درنهایت با افزایش طول آزاد، تغییر شکل نیز از مقدار مورد انتظار بالاتر خواهد بود.یک از ابتداییترین تحقیقات بر روي رفتار انکر با اعمال تنش بر روي انکرهاي 20 متري، و بررسی و تفسیر تفاوت تغییر شکلها نسبت به حالت الاستیک انجام شد.[4] در [5] به مدلسازي انکر به روشهاي تیر-ستون2 و المان محدود3 جهت تحقیق در سازوکار انتقال نیرو در انکرها پرداخته شد. روند این مدلسازيها شامل مدلسازي خاك، دوغاب، تاندون، اندرکنش دوغاب و خاك، و اندرکنش دوغاب و استرند در انکرها میشد. درنهایت این مدلسازيها با نتایج آزمایشهاي میدانی مقایسه شدهاند. در سال 2014 نیز در محیط آزمایشگاهی به بررسی اثر عدم نصب صحیح انکرها در ایجاد ناپیوستگیهاي موضعی پرداخته شده است.[6]
شبکه عصبی مصنوعی ساختاري چندلایه از نورونهاست که بهوسیله یالهاي وزندار با یکدیگر در ارتباط هستند. نورونها در دوحالت فعالیت میکنند: حالت آموزش و حالت آزمون. شبکه در حالت آموزش، با تعیین وزن یالها خروجی را محاسبه کرده و این خروجی محاسبهشده را با جواب واقعی مقایسه میکند که قدر مطلق اختلاف خروجی شبکه با مقدار واقعی برابر با خطا خواهد بود. در مرحله بعدي شبکه با تنظیم مجدد وزنها تلاش در کاهش تدریجی خطا میکند. درنتیجه این عملیات، شبکه قادر خواهد بود ارتباط - هرچند پیچیده - بین ورودي و خروجی را دریابد. از اوایل دهه 1990
میلادي، شبکههاي عصبی مصنوعی بهطور گستردهاي بهعنوان ابزاري قدرتمند در مهندسی ژئوتکنیک مورداستفاده قرار گرفتند. بهعنوانمثال در مطالعه [7] به بررسی قدرت شبکههاي عصب مصنوعی در دریافت روابط غیرخطی بین پارامترهاي مختلف خاك پرداخته شده است. همچنین در تحقیق [8] پتانسیل گسیختگی شیروانیها با استفاده از شبکههاي عصبی فازي4 ارزیابی شده است. در این مقاله در نظر است تا با استفاده از دادههاي بهدستآمده از آزمون کشش بر روي انکرهاي جایگذاري شده بهعنوان المانهاي کششی پایدارسازي دیوارههاي گودي واقع در شمال غرب شهر تهران، به تحلیل آماري رفتار انکرها پرداخته شده و با استفاده از قدرت شبکههاي عصبی در تخمین توابع پیچیده و غیرخطی به پیشبینی تغییر شکل انکرها در شرایط مختلف پرداخته شود.
.2 توصیف دادهها
این تحقیق شامل مطالعهاي بر رفتار انکرهاي جایگذاري شده، جهت پایدارسازي دیوارهاي گود پروژهاي واقع در شمال غرب شهر تهران است. با توجه به گزارش ژئوتکنیکی تهیهشده براي این پروژه، سه لایه خاك با مشخصات مکانیکی و ضخامتهاي مختلف در محل موجود است. با توجه به تراز کف گودبرداري، ارتفاع دیوارههاي گود از 27.5 تا 38 متر متغیر است. اطلاعات این پروژه از 711 انکر 3416 - مرحله بارگذاري به جز مرحله تنظیم - 1، که تحت آزمون کشش قرارگرفتهاند، تشکیل شده است. آزمونهاي کشش انجامشده همه بر روي استرندهاي 4، 5 و 6 رشتهاي بوده است.
.3 نحوه تحلیل آماري دادهها
جهت مقایسه همه انکرها اعم از 4 رشته، 5 رشته و 6 رشته، نیرو در مرحله تنظیم، صفر در نظر گرفتهشده و درنتیجه در مراحل بعدي بارگذاري، این نیرو5% - نیروي طراحی - از نیروي ثبتشده کسر گردیده است. همچنین مقادیر نیرو و تغییر شکل به ترتیب نسبت به سطح مقطع و طول آزاد نرمال شدهاند یا به عبارتی نمودارهاي نیرو-تغییر شکل به نمودارهاي تنش-کرنش تبدیل شدهاند. براي هر نقطه، روي نمودار تنش-کرنش نیز نسبت کرنش واقعی - r - به کرنش الاستیک - - e بهدستآمده است. مورد آخر در تحلیل آماري نمودارهاي تنش-کرنش مورداستفاده قرارگرفته است.
.4 نحوه مدلسازي دادهها
به طورکلی جهت پیشبینی رفتار - تغییر شکل - انکرها با استفاده از شبکه عصبی هر مرحله منحصربهفرد از بارگذاري - نیرو و تغییر شکل متناظر با آن - ، به جز مرحله تنظیم، بهعنوان یک داده در نظر گرفته شده است. بدین ترتیب 3416 داده جهت پیشبینی بهوسیله شبکه عصبی تولید شده است. در فرآیند آموزش و آزمون، تغییر شکل برحسب میلیمتر، بهعنوان خروجی و 10 پارامتر به شرح زیر بهعنوان ورودي شبکه در نظر گرفتهشدهاند: -1 تعداد رشته - N - ، -2 طول باند یا طول گیرداري برحسب متر - BL - ، -3 طول آزاد برحسب متر - UL - ، -4 فشار تزریق برحسب بار - P - ، -5 خورند تزریق برحسب لیتر - G - ، -6 زمان تزریق تا کشش برحسب روز - T - ، -7 سربار برحسب کیلو نیوتن بر مترمربع - q - ، -8 چسبندگی2 برحسب کیلو نیوتن بر مترمربع - C - ، -9 زاویه اصطکاك داخلی3 برحسب درجه - φ - و -10 نیرو برحسب کیلو نیوتن - F - لازم به ذکر است در تمامی شبکههاي مورداستفاده در این تحقیق از روش توقف زودهنگام4 و اعتبارسنجی متقاطع چند-تایی5 استفادهشده
است.
.5 آزمایشها و نتایج
.1 .5 تحلیل آماري و دستهبندي نمودارهاي تنش-کرنش با بررسی نسبت کرنشهاي واقعی به کرنشهاي الاستیک - - r e، در تمامی نقاط بارگذاري میانگین این نسبت برابر 0/986 بهدستآمده و انحراف از معیار این مقادیر معادل 0/378 خواهد بود. این مقادیر نشان میدهند بهطور میانگین کرنشهاي واقعی تقریباً برابر کرنشهاي الاستیک هستند ولی انحراف از معیار این دادهها ، نشان از پراکندگی زیاد دادهها دارد. همچنین مقادیر میانگین و انحراف از معیار نسبت کرنش واقعی به کرنش الاستیک به ازاي تمام نقاط هر مرحله از بارگذاري در جدول 1 ارائه شده است.
