بخشی از مقاله
چکیده -
احداث ساختمان های بلند، روی زمین های نامناسب مشکلات زیادی را ایجاد می کند. استفاده از پی های گسترده، مستقر بر شمع یک راه مناسب برای به حداقل رساندن نشست های تفاضلی و کلی و بهبود ظرفیت باربری پی های سطحی و کاهش سطح تنش داخلی و گشتاور خمشی پی می باشد. در این نوع سیستم، پی گسترده و شمع، هر دو در تقسیم بار شرکت می کنند. سیستم پی عمیق در شرایطی که لایه های سطحی خاک مقاومت لازم جهت تحمل بارهای وارده را نداشته باشد به طوری که حتی با استفاده از پی های گسترده ظرفیت باربری لازم توسط لایه های سطحی تامین نگردد و یا لایه های سطحی نشست پذیر و تورم زا باشند و یا سازه به نشست غیر یکنواخت حساس باشد، استفاده می شود.
در مواردی که پی های گسترده از توان باربری کافی جهت حمل بارهای سازه برخوردار بوده اما مقادیر نشست از حدود مجاز تجاوز نماید، با به کارگیری تعداد شمع های کمتری در مقایسه با پی های عمیق متعارف، می توان نشست های متوسط تفاضلی را به طور محسوس کاهش داد. هدف از این تحقیق، بررسی رفتار پیهای گسترده در خاک چند لایه با سطح آب زیرزمینی متغیر تحکیم شده بوسیله شمع، به روش المان محدود است. این کار، با نرم افزار پلکسیس دوبعدی انجام گرفت.
نتایج نشان داد که با افزایش قطر شمع، در خاک دو لایه از 0/2 تا 0/8 نشست از 14سانتی متر به 12,2 سانتی متر کاهش پیدا کرده و تاثیر قطر شمع نسبت به بقیه پارامترها مانند طول شمع چشمگیر نبود. همچنین با افزایش فاصله S/d فاصله شمع ها در خاک دو لایه نسبت به یکدیگراز 2تا 10، میزان نشست از 25سانتی متر به 10 سانتی متر کاهش پیدا کرده است که قابل ملاحظه بوده و با افزایش فاصله L/d طول شمع ها در خاک دو لایه نسبت به یکدیگر، نشست از 30 سانتی متر به 5 سانتی متر کاهش پیدا نموده است که بسیار حائز اهمیت و مهم بوده و می توان ذکر نمود طول شمع و نفوذ شمع در خاک مهم ترین پارامتر تاثیر گذار است.
-1 مقدمه
شاید به جرات بتوان گفت یک سازه نمی تواند قوی باشد مگر آنکه اتصالاتش قوی باشد. اگرچه این بیان شاید اطلاق به اجزای تشکیل دهنده یک سازه بشود لیکن می تواند به اتصال سازه و خاکی که آن را تحمل می کند نیز تعمیم داده شود. اگر به بناهای قدیمی و تاریخی بنگریم می بینیم که سازندگان بخوبی دریافته بودند که شالوده ها، از اهمیت ویژه ای برخوردارند و عدم کفایت مقاومت آنها میتوان منجر به خرابی ساختمان ها شود.
تعیین ظرفیت باربری، برآورد نشست، تحلیل پایداری - درصورت لزوم - و طراحی سازه ای و ملاحظات اجرایی و اقتصادی پنج معیار عمده ی طراحی پی هستند که معمولا" در سه مورد نخست، مهندسین ژئوتکنیک نقش عمده ای را بر عهده دارند. در مورد پیامدهای سطحی معیار کنترل نشست بیش از ظرفیت باربری پی اهمیت می یابد.
در مواجهه با بارهای سنگین سازه ای ابتدا پی های رادیه مورد نظر طراحان قرار می گیرند که علی رغم عملکرد مناسب آنها، به جهت تقویت عملکرد، می توان از سیستم های رادیه شناور، بهسازی خاک زیر پی و در نهایت از کامل ترین سیستم های پی سازی یعنی رادیه و گروه شمع بهره جست. در حالت اخیر، علاوه بر افزایش توان باربری، نشست پی کاهش می یابد. در این سیستم هم پی رادیه و هم گروه شمع در باربری کلی زیر سازه ایفای نقش می کنند و از قابلیت هیچ یک از آنها در این خصوص صرف نظر نمی شود.
ایده ی تلفیق پی های رادیه و گروه شمع، ایده ای نوین در مهندسی ژئوتکنیک است که توسط محققین بسیاری پیشنهاد شده است
در طراحی سیستم های مرکب رادیه و شمع روش های مختلفی وجود دارد که از جمله ی آنها می توان به روش رادیه ی صلب، روش های عددی و اجزای محدود اشاره نمود. در هر یک از این روش ها فرضیاتی برای تحلیل نیروها و توزیع آنها در اجزای سیستم وجود دارد4]و.[5 شالوده های شمع-رادیه از لحاظ اقتصادی گزینه ای مقرون به صرفه می باشند زیرا رادیه به تنهایی نیاز طراحی مورد نظر را از لحاظ باربری و نشست تامین نمی کند، با استفاده از چندین شمع در زیر رادیه مقدار ظرفیت باربری افزایش و نشست پذیری و نشست های تفاضلی به مقدار زیادی کاهش می یابد.
خاکهای قابل تورم در اثر افزایش یا کاهش درصد رطوبت، تورم و یا کاهش حجم پیدا می کنند و فشار تورمی این نوع خاکها ممکن است قابل توجه باشد، لذا برای رفع این مشکل باید با کمک شمع از لایه های خاک قابل تورم عبور کرده و وارد لایه پایدار خاک شویم . در خاکهایی نظیر ماسه بادی که دارای طبیعتی فروریزشی هستند، با افزایش درصد رطوبت نشست های زیادی در خاک رخ می دهد. همچنین مسئله روانگرایی همیشه در این نوع خاک ها محتمل بوده و باید از شمع جهت عبور از این لایه سست و انتقال بار به لایه مناسب استفاده شود.
به طور کلی هر جا که از ترکیب شمع و رادیه برای انتقال بار وارده از روی سازه به خاک استفاده شود و در طول مدت خدمت دهی به هیچ دلیلی - مانند آب شستگی یا نشست خاک - ارتباط رادیه با خاک قطع نگردد، در آن صورت بار اعمالی به صورت مشترک توسط شمع و رادیه به خاک منتقل خواهد شد. منظور از واژه شالوده شمع-رادیه ترکیب اندرکنشی دو فونداسیون، رادیه و گروه شمع به گونه ای است که هر دو در تامین باربری و کاهش نشست های کلی و تفاضلی با هم ایفای نقش کند و نه اینکه از قابلیت یکی از آن ها صرف نظر شود.
به چنین رفتار توامانی رفتار اندر کنشی اطلاق می شود. این سیستم مرکب به سیستم پی تقویت شده با شمع یا به طور خلاصه شالوده شمع-رادیه خوانده می شود. شناخت هر چه بیشتر از نحوه اندرکنش موجود میان شمع، رادیه و خاک منجر به شناخت بهتر از نحوه رفتار و طراحی بهینه و نزدیک به واقعیت شالوده های شمع-رادیه می گردد.به طور کلی هر جا که از ترکیب و رادیه برای انتقال بار وارده از روسازه به خاک استفاده شود و در طول خدمت دهی به هیچ دلیلی ارتباط بین رادیه با خاک قطع نگردد در آن صورت بار اعمالی بصورت مشترک توسط شمع و رادیه به خاک منتقل خواهد شد.
از دیرباز فرآیندهای آبی خاکی موجب بروز خرابی و انهدام سازه های در تماس با آب مانند: سد، دیوارهای ساحلی و پایه های اسکله ها و شمع ها می شود و باعث عواملی چون روانگرایی، روانگرایی در اثرموج، آبشستگی و تراوش می گردد. وجود آب در خاک به عنوان یک عامل منفی در ظرفیت باربری سازه ها و پی ها عمل می نماید. نکته قابل توجه این است که در برخی موارد گرچه آب در خاک منطقه جریان ندارد و یا اینکه سطح آب زیرزمینی پایین است ولی عدم حضور جریان آب موجب نادیده نگاشتن اثرسوء فرآیندهای آبی خاکی بر سازه نمی گردد.
حتی ممکن است آبیاری گل و گیاه و آب ناشی از بارندگی - جریان سطحی - و یا شرایط بارگذاری و باربرداری بگونه ای باشد که موجب تغییرات فشار آب منفذی نسبت به زمان در خاک گردد. این عوامل زمینه ساز بروز آسیب در سازه و پی و تغییر در مقاومت برشی و ظرفیت باربری خاک گردد
هدف از این تحقیق، بررسی رفتار پیهای گسترده در خاک تک لایه با سطح آب زیرزمینی متغیر تحکیم شده بوسیله شمع، با نرم افزار پلکسیس است.
شوش پاشا و شرف خواه - 1392 - ، به مطالعه آزمایشگاهی و تحلیلی نشست شمع های بتنی درجا در ماسه پرداختند. در تحقیق آنها، از اثرات سطح آب زیرمینی صرف نظر شده بود و به طور خاص بر روی یک خاک ماسه تک لایه نشست بررسی شده بود. از نقاط قوت این کار، مطالعه موردی و آزمایشگاهی بوده و در نظر گرفتن بدترین شرایط و حالات مختلف چیدمان شمع ها تحت اثر آب های زیرزمینی است.
مردانی و همکاران - 2013 - ، به تأثیر زاویه باریک شدگی شمع های مقطع متغیر بر ظرفیت باربری فشاری گروه شمع با استفاده از روش عددی پرداختند. هدف آنها بررسی ظرفیت باربری فشاری گروه شمع های باریک شونده با مقاطع دایره ای و مربعی واقع در خاک ماسه ای بود. یکی از نقاط قوت مقاله آنها، بررسی مقاطع مختلف شمع های باریک شونده، هم دایره ای و هم مربعی لحاظ شده است و آنالیز با نرم افزار سه بعدی نیز انجام شده است
راندولف - - 1994، تعدادی شالوده شمع - رادیه را در شرایط مختلف مورد مطالعه قرار دادند. در تحقیق آنها، بررسی چیدمان، قطر و تاثیر رادیه بر نشست ها انجام شده است و این از محاسن این تحقیق است ولی تاثیر تراز سطح ایستابی در نظر گرفته نشده است.
ماهرانی و سلطانی - 1391 - ، به بررسی تاثیر تغییر سطح آب زیر زمینی بر روی ضریب اطمینان شمع های مدفون در خاک های رسی تحت اثر بارهای قائم پرداختند. در مقاله آنها، هدف بررسی تاثیر تغییرات سطح آب زیرزمینی بر روی ضریب اطمینان شمع ها و در واقع بر روی ظرفیت باربری شمع های منفرد و شمع هایی با رفتار شمع منفرد در گروه شمع ها مدفون در خاک های رسی میباشد . از نقاط قوت آن مقاله، بررسی اثرات تفاوت ظرفیت باربری نهایی شمع های در جا ریزبتنی با قطر متفاوت را در خاک رس ضعیف در اثر بالا یا پایین آمدن سطح آب زیرمینی است.
-2 روش تحقیق روش المان محدود یک تکنیک محاسباتی برای یافتن حل عددی
تقریبی معادلات دیفرانسیل پاره ای می باشد که امروزه کاربردهای فراوانی در صنعت و مهندسی یافته است. در این روش با حذف کامل معادلات دیفرانسیل - برای مسائل حالت پایا - و یا تبدیل آن به معادلات دیفرانسیلی معمولی مقادیر عددی بدست می آیند و از آن برای تحلیل سیستم های مختلف بهره برده می شود. آنالیز در اجزا محدود شامل 7 مرحله است که باید به ترتیب انجام شوند و در اکثر نرم افزارها ترتیب عملیات به همین ترتیب است.
مرحله اول: شامل گسسته سازی و تقسیم سازه یا ناحیه به بخش های کوچکتر بنام المان می باشد. در مسائل دو بعدی سطح مورد نظر به المان هایی تقسیم می گردد که ممکن است مثلثی، مستطیلی یا چهار ضلعی با اضلاع منحنی یا مستقیم باشد. بنابراین برای محاسبه تغییر مکان ها از یک قاعده درونیابی پارابولیک در هر نقطه داخل یک المان استفاده می شود. المان های خطی برای مدلسازی راک بولت ها، اتصالات و ستون ها استفاده می شود. استفاده از این المان ها با شبکه سازی و مش بندی صورت می گیرد. انتخاب شبکه اختیاری است و تعداد المان ها و گره ها برای حل مساله بستگی به دقت مورد نظر، هزینه و میزان اهمیت پروژه دارد. در جایی که تغییرات ناگهانی در تنش انتظار می رود از المان های کوچکتری استفاده می شود.
مرحله دوم: در تحلیل پروژه ها انتخاب یک مدل درون یاب یا مدل جابجایی مناسب می باشد. از آنجا که حل مربوط به جابجایی یک سازه مرکب تحت هر شرایط بارگذاری مشخص را نمی توان به طور دقیق پیش بینی نمود. بنابراین یک راه حل مناسب جهت بدست آوردن جواب تقریبی مجهولات در المان لازم است. عموما" مدل درون یاب را به شکل چند جمله ای فرض می کنند.
مرحله سوم: در آنالیز بوسیله المان محدود، بدست آوردن ماتریس سختی است. سپس بدست آوردن بردارهای نیروی المان که پایه تحلیل اولیه را تشکیل می دهد. برای بدست آوردن بردار نیروها باید ماتریس سختی را در بردار جابجایی گره ها ضرب کرد لذا باید ابتدا ماتریس سختی مشخص و تعیین شود.
مرحله چهارم: در مرحله چهارم معادلات المان ها را برای بدست آوردن معادلات کلی تعادل باید جمع بزنیم. از آنجا که سازه از چندین المان محدود تشکیل شده است، ماتریس سختی و بردارهای نیروی المان های منفرد را باید با یک روش مناسب با یکدیگر جمع نمود و معادلات کلی تعادل را بدست آورد اگرk ماتریس سختی و U بردار جابجایی گره ها باشد - معادله - F. - - 1 بردار نیروهای گره برای کل سازه برابر است با:
مرحله پنجم: شامل اعمال شرایط مرزی در مدل و حل معادلات تعادل می باشد. که در این حالت مرزهای مدل را می بندیم و بسته به نوع مساله از مرزها با شرایط مناسب استفاده می کنیم. مرحله ششم: شامل محاسبه تنش کرنش های المان می باشد. که با استفاده از روابط حاکم بر الاستیسیته و پلاستیسیته تنش و کرنش محاسبه می شود و میزان تغییر شکل هر نقطه و تنش وارده بر آن را با همان معادلات که قبلا" پیدا کرده ایم بدست می آوریم و در مرحله هفتم باید نتایج حاصله را بصورت خروجی بگیریم و آنها را تحلیل می کنیم.
در این تحقیق، برای مدلسازی از نرمافزار پلکسیس استفاده شده است. نرم افزار المان محدودPLAXIS، یکی از قدرتمندترین نرم افزارهای عددی برای تحلیل رفتار، مطالعه تغییرشکل و پایداری، آنالیز ظرفیت باربری و نشست، در پروژه های مهندسی ژئوتکنیک است. معمولا" در مسائل مهم ژئوتکنیک، یک مدل رفتاری برای مدلسازی رفتار بسته به هدف مورد نظر لازم است، همچنین با این نرم افزار میتوان مسائل مختلف با شرایط بارگذاری و شرایط مرزی مختلف را با استفاده از المانهای مثلثی شش گره و 15 گره ای مدلسازی نمود. اگرچه نتایج تعداد زیادی مدلهای آزمایشگاهی به نتایج حاصل از تحلیلهای این نرم افزار نزدیک بوده است، اما نمی توان اظهار کرد که این برنامه عاری از خطاست.
