بخشی از مقاله
چکیده
یکی از پارامترهاي مهم در شیروانی هاي تحت حفاري، مشخص کردن اندازه حداکثر دهانه حفاري است. این اندازه حداکثر با پارامترهاي متعددي از جمله پارامترهاي مقاومتی خاك و هندسه شیروانی در ارتباط است. بر اساس پدیده قوس زدگی با انجام حفاري در جلوي یک شیروانی، بار ناشی از وزن شیروانی به نواحی پایدار اطراف ناحیه حفاري شده منتقل شده که منجر به پایداري بیشتر شیروانی تحت حفاري خواهد شد.
در این تحقیق سعی بر آن است تا با بررسی امکان شکلگیري پدیده قوس زدگی در شیروانیهاي تحت حفاري، نقش آن در تعیین حداکثر دهانه حفاري مورد ارزیابی قرار گیرد. براي این منظور یک سري مدل عددي در محیط نرمافزار تفاضل محدود FLAC 3D ساخته شده است. در این مدلها با فرض وجود یک صفحه ناپیوستگی در شیروانی، اندازه حداکثر دهانه پایدار حفاري براي زوایاي شیب متفاوت صفحه ناپیوستگی تعیین شده است.
نتایج این تحقیق با نتایج مدلسازي فیزیکی و تئوري موجود مقایسه شده و مطابقت قابل قبولی را نشان می دهد. این نتایج ضمن تصدیق شکل گیري پدیده قوس زدگی در شیروانی هاي تحت حفاري، نشان دهنده ارتباط معنی داري بین زاویه شیب صفحه ناپیوستگی و حداکثر دهانه پایدار حفاري است.
.1 مقدمه
پدیده قوس زدگی یکی از مهم ترین پدیده هاي رایج در محیط هاي خاکی و سنگی می باشد .در حالت کلی، این پدیده زمانی اتفاق می افتد که به دلیل آشفتگی در حالت اولیه توزیع تنش، صلبیت دو ناحیه مجاور در محیط متفاوت باشد. در این حالت فرآیند توزیع مجدد تنش رخ داده بطوریکه تنش بیشتر به ناحیه با صلبیت بیشتر و تنش کمتر به ناحیه با صلبیت کمتر وارد می شود
براي اولین بار شکل گیري پدیده قوس زدگی توسط جانسن در سیلوهاي مواد دانه اي مطرح شد. [2] وي مشاهده کرد که بر خلاف باور رایج تا آن زمان، فشار جانبی وارد بر دیواره سیلو با افزایش عمق بطور خطی افزایش نمی یابد. بلکه با افزایش عمق از نرخ افزایش فشار کاسته شده تا آنکه در یک عمق مشخص در یک مقدار ثابت باقی می ماند. جانسن بر اساس مشاهدات خود تئوري قوس زدگی در مواد دانه اي را پایه گذاري کرد.
ترزاقی اثر قوس زدگی را به صورت انتقال فشار از یک توده خاك در حال تسلیم به بخشهاي پایدار مجاور تعریف کرد. این اثر ناشی از بسیج شدن مقاومت برشی بین ذرات است که در واقع حاصل جابجایی نسبی در مصالح دانهاي است. او با ابداع دستگاه آزمایش دریچه به تفسیر مفهوم قوس زدگی به معناي انتقال فشار پرداخت .
با بهرهگیري از این ایده، پژوهشهاي بسیاري براي شناخت اثر قوس زدگی در مسائل گوناگون مهندسی از جمله انتقال بار در سازه دیوار نگهبان، تحلیل و طراحی تونل، مقاومت باربري شمعها، نشست خاکریزهاي متکی به شمع، بار موجود بر روي سازههاي مدفون و جریان دانهاي در قیفها و سیلوها انجام شده است
در تمامی موارد فوقالذکر، به دلیل آنکه منطقه تحت تأثیر انتقال فشار قوسی شکل می باشد، نام قوس زدگی براي این پدیده انتخابشده است. با اینوجود، قوس زدگی به معناي ایجاد ساختاري پایدار به صورت یک قوس نیز قابل تعریف است. مقایسه تنش قایم مشاهده شده در توده خاکی که قابلیت نشست را دارد، با مقدار نظري آن را میتوان بهعنوان شاخص قوسزدگی تعریف کرد. در شکل 1 اثر قوس زدگی در اطراف یک فضاي زیرزمینی به صورت شماتیک نشان داده شده است.
شکل – 1 تغییر مسیرهاي تنش در اطراف یک فضاي زیرزمینی و ایجاد اثر قوس زدگی
فریدمن وکیسر با مطالعه پدیده قوس زدگی در پشت دیواره هاي نشان دادند تحت عمل قوس زدگی، از فشار جانبی خاك کاسته خواهد شد و طراحی دیوارها بر اساس روابط متداول ضریب فشار جانبی خاك، تا حدودي محافظهکارانه است .[5] خسروي و همکاران به کمک مدلسازي فیزیکی نشان دادند که نهتنها اثر قوس زدگی در پشت دیوارههاي حائل باعث توزیع غیرخطی تنشها میشود بلکه با افزایش جابجایی دیوار و زاویه اصطکاك سطح دیوار، غیرخطی بودن توزیع تنش افزایش مییابد
محققان زیادي نیز به مطالعه پدیده قوس زدگی در بین شمع هاي نصب شده به منظور پایدارسازي شیروانی ها پرداختند 4]، 9 تا .[12 ایجاد ناحیه قوس زدگی بین دو شمع مجاور در یک ردیف شمع نصب شده به منظور پایدارسازي یک شیروانی نامحدود که توسط لیانگ و ژنگ مورد مطالعه قرار گرفته است در شکل 2 به صورت شماتیک نشان داده شده است.
شکل –2 قوس تشکیل شده بین دو شمع مجاور در پایدارسازي شیروانی هاي نامحدود به وسیله شمع [11]
الف - دید از کنار ب - دید از بالا
خسروي و همکاران چگونگی شکلگیري پدیده قوس زدگی در شیروانیهاي تحت حفاري را مورد تحلیل و بررسی قرار دادند . ایشان با انجام یک سري مدلسازي فیزیکی در شرایط عادي آزمایشگاه و همچنین در شرایط سانتریفیوژ نشان دادند که شکلگیري قوس فشار در شیروانی خاکی تحت حفاري حتمی بوده و دهانه حداکثر قوس پایدار به پارامترهاي متعددي از جمله شرایط هندسی شیروانی و خصوصیات فیزیکی خاك بستگی دارد. خسروي نشان داد که با تقویت نواحی تمرکز تنش در یک شیروانی تحت حفاري یا دیواره معدن می توان دیواره مورد نظر را تا یک دهانه مشخص حفاري پایدار نگه داشت و تکنیک استفاده از بار تعادلی را براي پایدارسازي دیواره هاي تحت حفاري در معادن روباز پیشنهاد داد
هدف این تحقیق، مطالعه عددي ارتباط میان بیشینه عرض زیر برش و زاویه شیب در شیروانی هاي تحت حفاري می باشد.
.2 پیشینه تحقیق
در مدلسازي هاي فیزیکی انجام شده توسط خسروي و همکاران در انستیتو فناوري توکیو جهت بررسی شکل گیري پدیده قوس زدگی از یک ماسه استاندارد سیلیکاتی - ماسه سیلیکاي شماره - 6 با منحنی توزیع داده بندي نشان داده شده در شکل 3 استفاده شده است .[16] مشخصات فیزیکی ماسه مورد استفاده در جدول 1 لیست شده است.
به منظور شبیه سازي شیروانی تحت حفاري، سطح شیبداري با صفحات صلب آلومینیوم ساخته شده و با ورقه هاي کم اصطکاك تفلون پوشیده شده است. سپس ماسه مورد استفاده با رطوبت 10 درصد و تراکم نسبی یکنواخت براي تمام مدل بر روي آن متراکم شد. استفاده از صفحات کم اصطکاك تفلون ایجاد صفحه با پتانسیل لغزش در بدنه شیروانی تحت حفاري می باشد.
براي تعیین خصوصیات مقاومتی ماسه مورد استفاده در مدلسازي فیزیکی و همچنین خصوصیات مقاومتی بین ماسه و سطح تفلون یک سري تست برش مستقیم انجام شده است که نتایج آن در شکل 4 قابل مشاهده است. چسبندگی بدست آمده در این تستها ناشی از نیروهاي مویینگی بین دانه هاي ماسه مرطوب بوده و چسبندگی ظاهري نامیده می شود. همانطور که از این شکل مشاهده می شود، چسبندگی سطحی بین صفحه تفلون و خاك به مراتب کمتر از چسبندگی خاك است.
همین طور زاویه اصطکاك سطحی بدست آمده حدود نصف زاویه اصطکاك داخلی خاك می باشد. کمتر بودن پارامترهاي مقاومتی سطح بین خاك و تفلون نسبت به پارامترهاي مقاومتی خاك تضمین کننده این است که لغزش در شیروانی بر روي سطح تفلون صورت خواهد گرفت. تصویري از مدل فیزیکی ساخته شده توسط خسروي و همکاران در شکل 5 نشان داده شده است.
شکل –3 توزیع دانه بندي ماسه سیلیکاي مرطوب
شکل –4 پارامترهاي مقاومت برشی ماسه سیلیکاي شماره6 و شماره [16] مقاومت برشی بین ماسه و صفحه صلب در مدلسازي فیزیکی
جدول - 1 مشخصات اصلی ماسه سیلیکاي مرطوب شماره [16]
