بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از مهمترین علل بروز خسارات و خرابیها به هنگام زلزله، روانگرایی خاکهای ماسهای سست و اشباع میباشد. تا به حال روشهای مختلف آنالیز و طراحی برای ارزیابی رفتار شمعها در اثر زلزله ارائه شده است و در این موارد تأثیر روانگرا شدن خاکهای با پتانسیل روانگریی نیز بایستی در آنالیز مورد توجه قرار گیرد. همچنین با توجه به افزایش استفاده از پیهای عمیق در سواحل ماسهای و در محل رودخانهها و خطر بروز روانگرایی در اثر زلزله در این محلها، در این مقاله به بررسی اثر عوامل مختلف بر رفتار شمع منفرد در خاک ماسهای ، با منظور کردن رفتار خاک در معرض روانگرایی، پرداخته میشود. در این پژوهش، تحلیل عددی رفتار شمع توسط نرمافزار المان محدود OpenSeesPL 0.8.7 مورد بررسی قرار میگیرد. در این راستا رفتار لرزهای شمع منفرد در خاک ماسهای تحت اثر عوامل مختلف مانند ضخامت لایهی خاک، قطر شمع و طول شمع بررسی میشود. با توجه به وجود پتانسیل روانگرایی در خاکهای سواحل شمالی و جنوبی و نیز در رسوبات دانهای غیر متراکم رودخانهها در سایر نقاط کشور، موضوع مورد بررسی در این مقاله میتواند در عمل برای تحلیل رفتار شمعهای اجرا شده در چنین محلهایی مفید باشد. نتایج بدست آمده نشان میدهد که با افزایش قطر شمع و طول شمع، تغییرمکان جانبی شمع و چرخش شمع کاهش مییابد ولی ضخامت خاک با توجه به طول شمع نتایج مختلفی میتواند داشته باشد.
کلمات کلیدی: روانگرایی، شمع منفرد، تحلیل غیرخطی، بار زلزله
1. مقدمه
انواع پیهای شمعی کاربردهای گستردهای در کنترل نشستها و انتقال بار روسازه به بستر ایمن دارند. با توجه به دامنهی وسیع کاربرد این شمعها، بسته به هندسهی شمع، وضعیت روسازه، محل اجرا و به دنبال آن بارهای اعمالی از محیط اطراف و خطرات و بلایای طبیعی محتمل، طراحی و اجرای این پیها همواره با چالشهایی مواجه بوده است. در کاربریهای ساحلی پیهای شمعی در سازههای عظیم، گرانقیمت و مهم از نظر ارتباطی، اقتصادی و انرژی همانند پلها، اسکلهها، بندرگاهها، سکوهای نفتی، مخازن و توربینهای بادی بهکار میروند. در این نوع سازهها طراحی پیهای شمعی با قابلیت سرویسدهی طولانیمدت تحت بارهای ماشینآلات و تجهیزات قرار گرفته بر روی آنها و بارهای موجود و ثابت محیطی و در عین حال مقاوم در برابر بارهای محیطی ناگهانی همانند زلزله، موج و طوفان از اهمیت فوقالعادهای برخوردار میباشد .[1]
از مباحث مهم در خاکهای ماسهای اشباع که میبایست در طراحی شمعها مورد توجه قرار گیرد، بحث احتمال روانگرایی خاک ماسهای اشباع تحت بار زلزله میباشد. در هنگام زلزله، خاک ماسهای اشباع دچار کاهش ناگهانی مقاومت برشی شده و به عبارتی روانگرا میشود. خاک روانگرا شده، همانند یک سیال ویسکوز عمل میکند. زمانی که خاک روانگرا شده و مقاومت آن در پایینترین سطح خود قرار میگیرد، پی شمعی ممکن است جابجاییهای نسبتاً زیادی را تجربه کند. در این حالت شمع به شدت مستعد ترک خوردگی و حتی شکست است.
پس از روانگرایی در صورتی که مقاومت باقیماندهی خاک، کمتر از تنشهای برشی استاتیکی ایجاد شده توسط سربار موجود در یک سراشیبی یا محوطهی باز مانند ساحل رودخانه باشد، ممکن است انتشار جانبی قابل ملاحظهای در خاک رخ دهد. حرکت خاک فشار بسیار زیادی به شمع وارد کرده و منجر به بروز شکست در شمع میشود .[2] در سازههای حمل و نقل ساحلی تخریب توسط زلزله های بزرگ به ندرت اتفاق میافتد اما ابعاد خسارات وارده بسیار بزرگ است. در مناطق لرزهخیز که خاک ماسهای شل تا نیمه متراکم دارد به دلیل آن که خاکهای ماسهای نیمه شل توانایی تحمل بار از پیهای گسترده را ندارد، سازهها اغلب بر روی شمع ساخته میشوند. اگر خاک ماسهای به علت وجود سفرههای آب زیرزمینی اشباع باشد، حین زلزله و تکانهای شدید، به علت افزایش فشار آب حفرهای، سختی و مقاومت خود را از دست میدهد و ماسه مانند یک سیال غلیظ رفتار میکند.
این پدیده روانگرایی نام دارد و اصلیترین دلیل خرابی فونداسیونهای شمعی در زلزلههای اخیر گزارش شده است. برای مثال آسیبهای گسترده که بر اثر زلزلهی کوبه در سال 1995 به بندر کوبه رسید منجر به صرف 8/6 میلیارد دلار هزینه و دو سال زمان برای بازسازی برای بهرهرداریب مجدد شد. ضمناً این بندر جدید از رتبهی ششم جهان به سی و دومین از نظر بزرگی رسید که این عامل همراه با ضررهای دراز مدت از نظر تجاری بود. نمونهی دیگر خسارات وارده به بنادر درنیس و آکیتای ترکیه بود که در زلزله کوکائلی در آگوست 1999 اتفاق افتاد. از نمونه های دیگر از آسیبهای ناشی از زلزلهها در تأسیسات ساحلی و بندرگاهی میتوان به آسیب دیدگی بندر پرینس در طی زلزله هایتی در ژانویه 2010 و بنادر والپارایزو و سن آنتونیو در طی زلزله شیلی در 27 فوریه 2010 اشاره کرد که نمونه هایی از آن در شکل - 1 - آورده شده است .[3]
شکل : - 1 - نمونههایی از آسیب دیدگی الف و ب - اسکلهی ماهیگیران در بندر کرونل و ج - بندر سن آنتونیو در زلزله ی شیلی [3] - 2010 -
شکل : - 2 - نشست آپارتمان و تکیه دادن به ساختمان مجاور در زلزلهی ترکیه - 1999 -
روانگرایی یکی از جنبههای رفتار خاک ماسهای است که به دلیل اثرات تخریبی مثل شکست سدها و شیب ها ، برای بیش از دو نسل دغدغهی ذهنی مهندسان ژئوتکنیک بوده است. این رفتار خاک ماسهای بعد از سال 1964 زلزله نیگاتا توجه عموم زیادی را به خود جلب کرده است اما آغاز مطالعهی روانگرایی به سالهای 1920 باز میگردد و به عنوان موضوع قابل بحث در جامعهی مکانیک خاک باقی مانده است. کاسترو و پلوس [4] از هازن به عنوان اولین مهندسی که از کلمه ی روانگرا شدن در سال 1920 برای اشاره به شکست سد کالاوراس در کالیفرنیا استفاده کرد، یاد میکنند. پدیدهی روانگرایی از آن زمان به بعد توسط بسیاری از محققین مهندسی ژئوتکنیک مورد مطالعه قرار گرفته است. هرچند معرفی این عبارت توسط هازن برای توضیح شکست یک سد خاکی تحت بارهای وزنی - استاتیکی - به کار برده شد، اما بعدها وقوع این پدیده برای بارهای دینامیکی نیز مورد استفاده قرار گرفت .[5]
2. مدلسازی مجموعه ی خاک و شمع
در این مقاله، جهت مدلسازی مجموعه ی خاک و شمع از نرمافزار المان محدود OpenSeesPL به صورت همبسته - حل همزمان و وابسته به هم تغییر شکل فاز جامد ایجاد فشار آب حفرهای - استفاده میشود. مش ایجاد شده در این مدل یک شبکهی سه بعدی متشکل از المانهای 8 گرهی برای المانهای خاک و المان های مرزی با ضخامت صفر در فصل مشترک خاک و شمع میباشد. با توجه به ساختار این نرم افزار در تحلیل دینامیکی، مدلهای ایجاد شده در این کد در سه مرحله آنالیز میشوند. در مرحلهی اول المان های خاک تحت بار ژئواستاتیک قرار داده میشوند تا شرایط طبیعی زمین - تنشهای اولیه - به وجود آید. مقادیر بدست آمده به عنوان مقادیر اولیه برای آنالیز مرحلهی دوم مورد استفاده قرار میگیرند. در مرحلهی دوم، المانهای شمع در داخل محیط خاک تعریف میشوند و با اعمال بار استاتیکی - بار جانبی، بار سازه و ... - وارده بر شمع، آنالیز استاتیکی انجام میشود و بالاخره در مرحلهی سوم کل مجموعه تحت بارهای دینامیکی قرار میگیرد.
3. مدل رفتاری مورد مطالعه در نرمافزار
مدل مطالعه شده در این مقاله از متن کار اصلی بر روی تئوری پلاستیسیته برای خاکهای اصطکاکی فاقد چسبندگی ارائه شده توسط پریوست - 1985 - میباشد که بر اساس تئوری پلاستیسیته سطوح چند گانه سیلان - شکل - 3 معرفی شده است. لذا در تحقیق حاضر این مدل رفتاری برای مدلسازی رفتار ماسهی اشباع مورد استفاده قرار گرفته است. فرمولاسیون این مدل بر اساس پلاستیسیته سطح مرزی در فضای نسبت تنش انحرافی و در چارچوب مکانیک خاک حالت بحرانی میباشد. پارامترهای وابسته به مدل پیشنهادی در سه دسته کلی میتواند طبقهبندی شود:
الف - پارامترهای مرتبط با رفتار الاستیک مصالح که نقش تعیین کنندهای در شیب اولیه منحنی تنش - کرنش دارند.
ب - پارامترهای مرتبط با رفتار پلاستیک مصالح شامل پارامترهای حالت بحرانی، سطح تسلیم و مدول پلاستیک بوده و مقادیر نهایی تنش، تغییر شکل و فشار آب منفذی و نیز اندازه سطح تسلیم و مقدار تنش انحرافی پیک در آزمایش سه محوری فشاری زهکشی شده را معین می کنند.
ج - پارامترهایی که تغییرات در فشار منفذی و ایجاد به هم پیوستگی مابین کرنشهای حجمی و برشی - پارامترهای اتساع - را توضیح میدهند.
شکل : - 3 - سطوح سیلانی مخروطی در فضای تنش اصلی و تفاضلی [6]
4. صحت سنجی مدل
پیش از انجام تحلیل پارامتری، روش مدلسازی و مدل المان محدود نرمافزار OpenSeesPL مورد استفاده در پژوهش حاضر از طریق استناد به متون فنی معتبر مورد تأیید قرار گرفت. جهت صحت مدلسازی در این نرمافزار تحقیقاتی که توسط عسگری و همکارانش [7] در سال 2013 به منظور مطالعه پاسخ شمع در خاک ماسهای روانگرا انجام شد شبیه سازی شده و نتایج بدست آمده با هم مقایسه گردید. آنها از یک لایه خاک ماسهای تمیز و یکنواخت به ارتفاع 10 متر که به طور کامل اشباع شده بود استفاده کردند. شمع بتنی به قطر 0/6 متر و طول 10 متر بوده و وزن مخصوص شمع
