بخشی از مقاله
خلاصه
در چند دهه اخیر تکنیک استفاده از شمع در پایدار سازی شیروانی ها متداول شده است. در بررسی های آزمایشگاهی، وقوع پدیده قوس زدگی مشاهده و گزارش شده و در مطالعات تحلیلی محدودی که در این زمینه صورت گرفته، بیان شده است که در نتیجه عمل قوس زدگی از میزان فشار جانبی خاک کاسته می شود. بنابراین طراحی دیوارها بر اساس روابط متداول ضریب فشار جانبی خاک، تا حدودی محافظه کارانه بوده و با منظور کردن این پدیده، ضریب اطمینان در برابر لغزش به مقدار قابل توجهی افزایش خواهد یافت. در این تحقیق سعی شده است که با استفاده از روش عددی المان محدود وقوع پدیده قوس زدگی در شیروانی های خاکی شمع کوبی شده مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. برای این منظور یک شیروانی خاکی با ترانشه ای به عمق چهار متر در جلوی آن با استفاده از نرم افزار ABAQUS مدل شده است.
یک ردیف شمع در دیواره ترانشه نصب شده و تاثیر قطر و فاصله داری شمع ها بر جابجایی خاک بین شمع ها و در نتیجه پایداری شیروانی مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. نتایج این تحقیق شکل گیری پدیده قوس زدگی در پشت شمع ها را تصدیق کرده و نشان می دهد که با افزایش نسبت فاصله به قطر شمع ها، جابجایی خاک میان شمع ها افزایش می یابد. همچنین با افزایش پارامترهای مقاومتی خاک از میزان جابجایی خاک میان شمع ها کاسته شده و می توان فاصله بین شمع ها را افزایش داد. با توجه به نتایج بدست آمده می توان گفت که با در نظر گرفتن پدیده قوس زدگی در پایدار سازی ترانشه ها می توان تعداد بهینه شمع را محاسبه کرده و در هزینه و زمان انجام پروژه صرفه جویی کرد.
1. مقدمه
قوس زدگی یکی از متداول ترین پدیده های موجود در مصالح دانه ای است. ترزاقی اثر قوس زدگی را به صورت انتقال فشار از یک توده خاک در حال تسلیم به بخش های پایدار مجاور تعریف کرد. این اثر ناشی از بسیج شدن مقاومت برشی بین ذرات است که در واقع حاصل جابجایی نسبی در مصالح دانه ای می باشد. او با ابداع دستگاه آزمایش دریچه به تفسیر مفهوم قوس زدگی به معنای انتقال فشار پرداخت.[1] با بهره گیری از این ایده، پژوهش های بسیاری برای شناخت اثر قوس زدگی در مسائل گوناگون مهندسی از جمله انتقال بار در سازه دیوار نگهبان، تحلیل و طراحی تونل، مقاومت باربری شمع ها، نشست خاکریزهای متکی به شمع، بار موجود بر روی سازه های مدفون و جریان دانه ای در قیف ها و سیلوها انجام شده است.
در تمامی موارد فوق الذکر، به دلیل آنکه منطقه تحت تاثیر انتقال فشار قوسی شکل می باشد نام قوس زدگی برای این پدیده انتخاب شده است. با این وجود، قوس زدگی به معنای ایجاد ساختاری پایدار به صورت یک قوس نیز قابل تعریف است. در شکل 1 اثر قوس زدگی در ایجاد تمرکز تنش بر روی ستون هایی که تحت بار یکنواخت عمودی قرار دارند نشان داده شده است.تئوری های موجود در زمینه قوس زدگی معمولا به دو دسته تقسیم می شوند، یکی تئوری صفحات برشی ترزاقی و دیگری روش ارتجاعی ارایه شده توسط فین. [2] وانگ و ین بر اساس تئوری صفحات برشی ترزاقی، این پدیده را برای شیب های نا محدود مورد مطالعه قرار دادند. تحقیق ایشان شامل بررسی انتقال تنش بین دو شمع با قطر زیاد است که برای پایدار نمودن شیب در برابر لغزش احتمالی اجرا می شود.[3] هندی نشان داد که شکل خاک قوس زده شباهت به یک زنجیر دارد که بر اساس مسیر تنش حداکثر تعیین خواهد شد.
خسروی و همکاران چگونگی شکل گیری پدیده قوس زدگی در شیروانی های تحت حفاری را مفصل مورد تحلیل و بررسی قرار دادند 5]، 6، 7 و .[8 ایشان با انجام یک سری مدلسازی فیزیکی در شرایط عادی آزمایشگاه و همچنین در شرایط سانتریفیوژ نشان دادند که شکل گیری قوس فشار در شیروانی خاکی تحت حفاری حتمی بوده و دهانه حداکثر قوس پایدار به پارامترهای متعددی از جمله شرایط هندسی شیروانی و خصوصیات فیزیکی خاک بستگی دارد.فریدمن و کیسر نیز پدیده قوس زدگی را در پشت دیوار حایل بررسی نمودند. ایشان نشان دادند تحت عمل قوس زدگی، از فشار جانبی خاک کاسته خواهد شد و طراحی دیوارها بر اساس روابط متداول ضریب فشار جانبی خاک، تا حدودی محافظه کارانه است.[9]خسروی و همکاران با کمک مدلسازی فیزیکی نشان دادند که نه تنها اثر قوس زدگی در پشت دیواره های حایل باعث توزیع غیرخطی تنش ها می شود بلکه افزایش جابجایی دیوار و زاویه اصطکاک خاک، غیرخطی بودن توزیع تنش افزایش می یابد .[10]
2. مدل سازی
.1 .2 هندسه مدل
نرم افزار آباکوس - ABAQUS - مجموعه ای از برنامه های شبیه سازی مهندسی بر اساس روش المان محدود می باشد که توانایی حل محدوده وسیعی از مسائل خطی ساده تا شبیه سازی های غیر خطی بسیار پیچیده را دارد. این نرم افزار توانایی انجام تحلیل های سازه ای - تنش – جابجایی - ، تحلیل های حرارتی ، الکتریکی، تحلیل های مکانیک خاک، انتقال جرم و نیز تحلیل های اندرکنشی سازه سیال را دارد. با توجه به اینکه محیط خاکی بوده و پیوسته می باشد از نرم افزار آباکوس برای مدل سازی استفاده گردید.
هندسه ای که برای پدیده قوس زدگی انتخاب شده است یک مقطع ده متری از شیب می باشد که شیب آن 40 درجه انتخاب شده و ارتفاع کلی آن 20 متر می باشد. ترانشه ای که ایجاد شده و باعث ناپایداری می شود ارتفاع 4 متر دارد. در این مدلسازی فرض شده است که شمع ها آنقدر طویلند که به بستر سنگی رسیده اند و هیچ گونه حرکتی ندارند و بدین منظور یک کف مصنوعی صلب ساخته شده است تا به منظور فوق یعنی حرکت نکردن شمع و همچنین کم کردن میزان محاسبات - یعنی حجمی که باید مدل شود - برسیم. فرض دیگر این است که شمع ها آنقدر صلب هستند که تحت خمش قرار نمی گیرند تا فقط حرکت خاک و ایجاد شدن قوس را مدلسازی کنیم. فرض دیگر این است که خاک فقط تحت نیروی ثقلی قرار دارد و نیروی افقی یا بار خارجی به آن وارد نمی شود.
.2 .2 چیدمان شمع ها
یکی از روشهای پایدارسازی ترانشه ها نصب شمع است که البته در عمل همیشه ابتدا شمع نصب شده و سپس حفاری انجام می شود. در این مدل سازی نسبت فاصله داری به قطر شمع - s/d - به عنوان پارامتری بی بعد تعریف شده است. در ابتدا مدلسازی برای شمع هایی با فاصله مرکز به مرکز 4 متر و قطر شمع 0,5 متر انجام شده که در نسبت های بعدی قطر ثابت و فاصله شمع ها تغییر داده شده است. پایداری ترانشه مورد نظر برای چهار s/d مختلف یعنی 2، 4، 6 و 8 مورد بررسی قرار گرفته است.
.3 .2 مش بندی مدل
مش بندی که برای این مدل در نظر گرفته شده است 1*1 می باشد. البته می توان چگالی مش بندی را زیاد کرد مثلا مش بندی 0,5*0,5 یا حتی 0,25*0,25 در نظر گرفت تا نتایج با دقت بالایی بدست آید ولی با توجه به آنکه مدلسازی 3 بعدی بوده و یک حجم بزرگی باید مدل شود مدت زمان انجام آن خیلی زیاد می باشد که نیاز به یک پردازنده قدرتمند می باشد.
