بخشی از مقاله
چکیده -
با افزایش جمعیت و کمبود زمین های شهری، بهطور معمول در ساخت و سازها از فضاهای زیرزمین برای پارکینگ، انبارها و غیره استفاده می شود. برای این منظور نیاز به اجرای گودبرداریها می باشد. بیشتر این گودبرداری ها در مناطق با تراکم ساخت و ساز بالا و در نزدیکی سازه های حساس انجام می گیرد. تاکنون پژوهش های زیادی در زمینه پیشبینی رفتار دیواره گودبرداریها و خاک های اطراف آن انجام شده است، اما همچنان اطلاعات کمی از رفتار پی های عمیق - شمع ها - در خاکهای لایه ای - ماسه و رس - در مجاورت این گودبرداریها در دست است.
همچنین با توجه به پیشرفت های اخیر در کشور و ساخت ساختمان های بلند، مترو و تونل ها و ایجاد گودبرداری های مختلف، و اینکه اکثر خاکها چند لایه می باشند، مطالعات انجام شده در مورد رفتار شمع ها در خاکهای لایه ای در مجاورت گودبرداری ها در کشور بسیار محدود بوده و نیاز به بررسی های بیشتر دارد. هدف از این تحقیق، تحلیل عددی تاثیر لایه بندی خاک، بر روی نیروهای ایجاد شده در گروه شمع، با استفاد از نرم افزار پلکسیس است.
برای این منظور گروه شمع در فواصل مختلف از بر گود مدل شد و نتایج بدست آمده به صورت نمودار و جدول استخراج شد و مورد تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان دادند که در خاک یکلایه ماسهای، با افزایش فاصله از بر گود، نیروی برشی حداکثر 353 درصد افزایش یافته و در خاک دولایه با افزایش فاصله گروه شمع از بر گود، لنگر خمشی ایجادشده در گروه شمع 330 درصد افزایش پیدا کرد. همچنین در خاک یکلایه رسی، با افزایش فاصله از بر گود، لنگر خمشی ایجاد 137 درصد افزایش نشان داد.
.1 مقدمه
با افزایش جمعیت و کمبود زمین های شهری، بهطور معمول در ساخت و سازها از فضاهای زیرزمین برای پارکینگ، انبارها و غیره استفاده می شود. برای این منظور نیاز به اجرای گودبرداریها می باشد. بیشتر این گودبرداری ها در مناطق با تراکم ساخت و ساز بالا و در نزدیکی سازه های حساس انجام می گیرد. تاکنون پژوهش های زیادی در زمینه پیش بینی رفتار دیواره گودبرداریها و خاک های اطراف آن انجام شده است، اما همچنان اطلاعات کمی از رفتار پی های عمیق - شمع ها - در خاکهای لایه ای - ماسه و رس - در مجاورت این گودبرداری ها در دست است.
ازجمله مواردی که امروزه برای افزایش ظرفیت باربری خاکهای ضعیف به کار می رود میتوان به پی های عمیق - شمع ها و ریزشمع ها - اشاره کرد. شمع ها اعضایی از جنس فولاد، بتن، بتن مسلح و چوب می باشند که در صورت مناسب نبودن ظرفیت باربری زمین برای استفاده از پی های سطحی از آنها برای ساخت پی های عمیق یا پی های شمعی استفاده میشود.
علیرغم مخارج بالا، در عمل موارد متعددی وجود دارد که برای ایمنی ساختمان برای نشست و عوامل دیگر از پی های شمعی استفاده میشود. این سیستم مرکب سیستم پی تقویت شده با شمع یا بهطور خلاصه شالوده شمع-رادیه خوانده میشود. شالوده های شمع-رادیه ازلحاظ اقتصادی گزینه ای مقرون به صرفه میباشند، زیرا زمانی که رادیه به تنهایی نیاز طراحی موردنظر را ازلحاظ باربری و نشست تامین، نمی کند با استفاده از چندین شمع در زیر رادیه مقدار ظرفیت باربری افزایش و نشست کلی و نشست تفاضلی به مقدار زیادی کاهش مییابد .
شمع ها به دو دسته شمع های جابجا شونده و شمع های جایگزین شونده تقسیم می شوند. شمع های جابجا شونده، شمع هایی هستند که بهوسیله کوبش یا ارتعاش در زمین مستقرمی شوند، شمعهای جایگزین شونده در مکان های از قبل حفاری شده، بهصورت پیش ساخته یا درجا قرار میگیرند.
همچنین در دهه های اخیر با گسترش ساخت و سازهای شهری و کمبود فضاهای مسکونی و تجاری در کلان شهرها، ساختمان های بلندتر و درنتیجه گودبرداری های ژرف تر اجرا شدند. طراحی گودبرداری ها و روش های محدود نمودن تاثیرات مخرب آن بر سازه های مجاور نیز بیش از پیش مورد توجه قرارگرفته است. با افزایش شهرنشینی بسیاری از گودبرداری ها برای حفر سازه های زیرزمینی و تونل های کند و پوش در نزدیکی سازه های با پی عمیق صورت می گیرد. یکی از مهمترین نگرانی ها در این شرایط، خرابی ساختمان های با پی عمیق در اثر گود برداری به علت ایجاد جابجایی و لنگر اضافی در اثر حرکت جانبی خاک خواهد بود.
هدف از این تحقیق، تحلیل عددی تاثیر لایه بندی خاک، بر روی نیروهای ایجاد شده در گروه شمع، با استفاد از نرم افزار پلکسیس است. مایرهوف و همکاران - Meyerhof et al., 1977 - با انجام آزمایش بارگذاری محوری بر روی شمع های قائم تکی، به مطالعه ظرفیت باربری نوک شمع در خاکهای لایه ای پرداخته و در شرایط ماسه بین دو لایه رسی مشاهده کرده اند که با نزدیک شدن نوک شمع به مرز مشترک ماسه-رس گسیختگی در شمع می تواند به علت سوراخ شدگی لایه ماسه ای به طرف لایه رسی رخ دهد.
احمدی و همکاران - Ahmadi et al., 2005 - ، در مقالهای به صورت عددی و با استفاده از نرمافزار FLACظرفیت باربری نوک شمع را در خاکهای لایه ای مورد بررسی قرار دادند. در این مقاله پس از مروری بر روابط تجربی موجود، نحوه مدل سازی ظرفیت باربری نوک شمع در خاک همگن بهطور اختصار بیان شده و سپس به چگونگی مدلسازی ظرفیت باربری نوک شمع در خاکهای لایه ای پرداختهشده و نتایج به دست آمده در آنالیزهای عددی با مقادیر تجربی پیشنهاد شده توسط محققین دیگر مقایسه شده است
خبازیان و همکاران ، در تحقیقات خود، با استفاده از روشهای عددی به بررسی ظرفیت باربری نوک شمع های درجاریز در خاکهای لایه ای و تعیین فاصله عددی مطمئن قرارگیری نوک شمع برای ایجاد ظرفیت باربری کامل در شرایط ماسه بر روی رس پرداختند.
مرندی و همکاران - 1383 - ، در مقالهای به بررسی رفتار شمع تحت نیرو های افقی در داخل خاک های لایه ای با استفاده از روش المان محدود پرداختند. با توجه به این مقاله شمع ها اغلب اوقات علاوه بر بار قائم تحت اثر نیروهای جانبی و لنگر خمشی قرار دارند.[
حسامی و همکاران - 1392 - ، در پژوهش خود به بررسی رفتار و نشست شمع منفرد در خاک لایه ای تحت بار محوری استاتیکی توسط نرمافزار اجزای محدود آباکوس پرداختند. نتایج حاصل با دیگر روش ها مقایسه شد. نتایج نشان دادند که مدل سازی اجرای محدود به صورت سه بعدی به نتایج سایر محققین بسیار نزدیک بود.
سبزی و فاخر - 1390 - ، از روش استفاده از تیرکهای مایل برای کاهش تغییر شکل و جلوگیری از آسیب به سازه های مجاور استفاده کرده اند و با استفاده از مدلسازی عددی، عوامل موثر در این روش را مطالعه نموده و توانسته اند محدودیت مناسب پارامترهای اصلی برای اجرای ایمن این روش را توصیه نمایند.
هرودکی و دمبیکی - Horodecki and Dembicki, 2002 - ، نشان داده اند در
گودبرداری هایی که در مناطق شهری انجام می گیرند، جابجایی قائم سطح خاک اطراف گود و سازه های همجوار، بهتر و بیشتر از جابجایی افقی دیواره های مهاربندی شده در طی فرآیند ساخت و ساز قابل مشاهده اند.
کلاف و اورورک - Clough and 2ʼ5RXUNH' 1990 - ، با انجام یک مجموعه مطالعات تجربی، شامل برداشت های محلی از حفاری های انجام شده در خاک های مختلف تخمینی از پروفیل نشست سطح زمین ناشی از گودبرداری برای خاک های رسی و ماسه ای ارائه دادند.
ملکی و همکاران - 1389 - ، در مطالعات خود به بررسی تأثیر اندرکنش گودبرداری و سازه ی مجاور آن در تحلیل گودبرداری ها در محیط های شهری پرداختند. در مطالعات ایشان با استفاده از نرم افزارهای اجزاء محدود پلکسیسو سَپ و با به کارگیری یک مدل رفتاری ارتجاعی خمیری با سخت شوندگی برای مصالح زمین، اندرکنش گودبرداری و سازه ی مجاور آن، مورد مطالعه قرار گرفته است.
موراک و ادوارد - Moorak and Edward, 2005 - - 2005 - در مطالعات خود به بررسی آسیبهای وارده بر ساختمان توسط نشست ایجادشده که ناشی از گودبرداریهای مجاور میباشد، پرداختند. بنابر تحقیقات ایشان، گودبرداری وحرکت زمین باعث ایجاد خسارتهایی در سازههای مجاور میشود. برای به حداقل رساندن این خسارتها ومشکلات باید تخمین قابل قبولی از میزان آسیبهای وارده و راههای تقویت سازه ارائه شود.
ذوالقدر و یثربی - 1390 - ، در مطالعات خود به بررسی روش میخکوبی در پایدارسازی گودبرداری در مناطق شهری پرداختند. در پژوهشات ایشان به مطالعه موردی پروژه یاس واقع در شرق تهران پرداختهشده است. به منظور بررسی رفتار سیستم، نتایج حاصل از مدلسازیهای عددی انجام شده بر اساس مشخصات طرح و خاک منطقه با مقادیر قرائت شده از رفلکتورها مقایسه شده است.
.2 مواد و روش تحقیق
.2-1 مواد
مشخصات مهندسی خاکها و شمعها، به ترتیب در جداول 1 و 2 آمده است.
جدول - 1 - خصوصیات خاک استفادهشده.[4]
جدول - 2 - خصوصیات خاک استفادهشده.[4]
.2-2 معرفی نرم افزار و مدلسازی
نرمافزار مورد استفاده در مطالعه حاضر بسته پلکسیس می باشد. از این نرمافزار برای انجام آنالیزهای پارامتری استفاده می شود. این نرمافزار کاربرد وسیعی در آنالیز شرایط مختلف ژئوتکنیکی دارد و به وسیله آن میتوان در گسترهای وسیع، بسیاری از مسائل پیچیده اندرکنش بین خاک و سازه را مورد ارزیابی قرار داد. به وسیله این نرمافزار می توان شمعهای مختلف، با شکلهای پیچیده و گوناگون و تحت شرایط متفاوت را مدلسازی نموده ونیز میتوان شمعهای معمولی و پافیلی را با طولهای مختلف و در شرایط مختلف خاک مدل سازی نمود.
با این نرمافزار میتوان خاکبرداری و خاکریزی مرحلهای با شرایط بارگذاری و شرایط مرزی مختلف را با استفاده از المانهای مثلثی 6 گرهی و 15 گرهی مدل سازی نمود. اولین ویرایش این نرمافزار به منظور آنالیز سدهای خاکی احداث شده بر روی خاکهای نرم درقسمتهای کمارتفاع و پست کشور هلند و به سفارش مدیریت منابع آب آن کشور در دانشگاه صنعتی Delft در سال 1987 تهیه و سپس در سال 1993 قابلیتهای آن گسترش دادهشده که توسط موسسه Center for Civil Engineering Research and Codes نیز مورد تأئید و پشتیبانی قرار گرفته است.
در این نرمافزار مدلهای رفتاری موهر-کلمب، مدل سخت شوندگی هذلولی، مدل نرم شوندگی - کم کلی - و مدل نرم شوندگی خزشی قابل بکارگیری است، همچنین با این نرمافزار میتوان فرایند ساخت و حفاری را توسط فعال کردن و غیر فعال کردن المانها در مرحله محاسبات مدل کرد. نمونهای از کاربرد این قابلیت، انجام آنالیز لایه به لایه در پایداری شیبها، سدها و تونلها می باشد.
با توجه به تحقیقات کاتسوتوشی و همکاران - - 1998 - Katsutoshi et al., 1998 - و به نقل از خزایی وهمکاران ، در پیهای سطحی تنش در فاصله افقی و عمودی 5 برابر عرض پی اعمال میشود. همچنین در مسائل شمع باید ابعاد مدل بیشتر از 50 برابر قطر شمع باشد . همچنین با توجه به تحقیقات انجام گرفته - Elarabi et al., 2014 - برای از بین رفتن اثر مرزهای مدل روی نتایج باید عمق مدل به میزان 2/5 برابر طول شمعها باشد.
