بخشی از مقاله
تحلیل و بررسی رفتار گروه شمع تحت بار جانبی و قائم در رس و ماسه یکنواخت
خلاصه
گروه شمع یک حالت خاص از پی های عمیق است که به صورت گسترده برای سازه های ساحلی و فرا ساحلی مورد استفاده قرار گرفته و بار های عمودی وجانبی را تحمل می کنند.با توجه به بار جانبی وارده بر سازه بایستی با روش مناسب اثر بار جانبی بر رفتار شمع تحلیل شود.در این مقاله، گروه شمع 2x2 با فاصله 2برابر قطر از هم با استفاده از نرم افزار plaxis 3D مدل سازی شده و رفتار شمع ها تحت اثر بار جانبی و قائم به طور همزمان در ماسه و رس یکنواخت بررسی گردیده است . به کمک نتایج بدست آمده، مکانیسم رفتار گروه شمع تحت بار جانبی بدست آمده و می توان جابجایی انتهای شمع،جابجایی در طول شمع و لنگر خمشی برای هر کدام از شمع ها را محاسبه کرد.
کلمات کلیدی: شمع ، المان محدود ، نیروی قائم ، نیروی افقی ،plaxis 3D foundation
1. مقدمه
شمع ها علاوه بر بار قائم قادر به تحمل بار جانبی نیز می باشند.وقتی شمع تحت بار جانبی قرار می گیرد ،دچار تغییر شکل جانبی شده و این امر سبب اعمال نیرو های فشاری از طرف خاک احاطه کننده به شمع خواهد شد.تحقیقات انجام گرفته در زمینه ی رفتار گروه شمع تحت بارگذاری جانبی و قائم عموماً به دو دسته آزمایشگاهی و مدلسازی عددی تقسیم بندی می شوند. مدلسازی عددی در طراحی پی های عمیق به عنوان یکی از ارکان اصلی جهت اثبات عملکرد سیستم شمع و تصدیق پارامترهای طراحی به دست آمده از بررسی های محلی می باشد. طراحی شمع ها تحت اثر بار جانبی بر اساس دو معیار صورت می گیرد: -1 ظرفیت باربری نهایی افقی شمع -2 تغییر مکان افقی سر شمع، که در بیشتر موارد معیار دوم نقش تعیین کننده ای دارد. با توجه به مطالعات انجام گرفته هنگامی که گروه شمع تحت بارگذاری جانبی در ماسه قرار می گیرد، شمع های ردیف اول بار بیش تری نسبت به شمع های داخلی حمل می کنند .[1] انحراف گروه شمع تحت بار جانبی 2 برابر انحراف شمع منفرد در همان سطح بار است.[2]مقاومت جانبی شمع بلند انعطاف پذیر ،زمانی که سطح آب از افق به شیب دار عوض میشود کاهش می یابد.[3]فشار جانبی خاک در حالت بار جانبی خالص با پهنای شمع و عمق شمع تغییر می کند که این به شدت بار و سطح تراز آب بستگی دارد[4]تغییر مکان های افقی خاک مقابل شمع تحت بار جانبی بیشتر از تغییر مکان
های قائم بوده و با افزایش عمق این تغییر مکان ها کاهش می یابد.[5]آنالیز عددی رفتار شمع تحت بار جانبی در خاک لایه ای نشان داده است که ،افزایش در فشار جانبی خاک رس در محدوده ای برابر با، 2 برابر عرض شمع از سطح تماس با خاک ماسه ای اتفاق می افتد. از این رو اثرات لایه ای خاک در این حالت چندان موثر نیست.[6] برای طراحی شمع تحت بار جانبی روش های متفاوتی ارائه شده است:
Bromsدر سال (1964) و (1965) روش های پیشنهادی خود را برای طراحی شمع که بر اساس شمع صلب و خاک پلاستیک بود ارائه کرد
Broms. با توجه به چگونگی توزیع عکس العمل خاک به محاسبه ظرفیت باربری جانبی شمع در خاک رس پرداخت و شمع ها را به دو گروه شمع با انتهای گیردار و شمع با انتهای آزاد تقسیم بندی کرد[7]و.[8]
روش دیگری که مطرح می شود روش p-y است . این روش بر اساس مدول عکس العمل بستر و در محیط الاستو پلاستیک بیان می شود . در این روش خاک به صورت فنر های مجزای غیر خطی مدل می شود و برای هر گره در طول شمع یک منحنی p-y بدست می آید.در عمل، با محاسبه
آزمایش بارگذاری جانبی منحنیp-y بدست می آید .منحنی p-y به دلیل اینکه تغییر شکل های خمشی در سطح زمین یا بالای آن را معلوم می کند یک منحنی با ارزش محسوب می شود.روش دیگر به نام روش بار مشخصه در سال (1994) ارائه شد ،که این روش جهت محاسبه لنگر حداکثر و تغییر مکان جانبی در شمع به کار می رود. از مزایای این روش می توان به سادگی آن نسبت به روش p-y و استفاده از پارامترهای بدون بعد اشاره کرد[9]و.[10]
2. معرفی نرم افزار
در حال حاضر تعداد زیادی نرم افزار برای تحلیل محیط های ژئوتکنیکی وجود دارد که از میان آنها نرم افزارPlaxis 3D Fondation با قابلیت های فراوان از جمله درنظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه، محاسبه تغییر شکل های بزرگ، مدل های رفتاری مختلف خاک وسازه و در نظر گرفتن فشار آب حفره ای دارای دقت و سرعت بالایی می باشد. نرم افزار Plaxis 3D Fondation برنامه ی رایانه ای المان محدود سه بعدی می باشد که با استفاده از یک محیط گرافیکی، کاربر را قادر به ساختن یک شبکه بندی واقعی سه بعدی بر اساس ترکیبی از مقاطع افقی در لایه های مختلف قائم می کند. به دلیل سه بعدی بودن شبکه بندی می توان رفتار سازه و خاک و همچنین رفتار اندرکنش آنها را بدون به کارگیری فرضیات و به صورت کلی و دقیق مورد بررسی قرار داد.
3. مدلسازی گروه شمع تحت بار جانبی و قائم به کمک مدل سازی عددی
مدلسازی به روش اجزا محدود و با در نظر گرفتن مسئله به صورت صفحات موازی سه بعدی ساخته می شود.مدل مورد بررسی در محدوده خاک 20x20x20 متردر نظر گرفته شده و به منظور افزایش دقت در نتایج ،از مش بندی با ابعاد ریزتری استفاده شده است. در نرم افزار Plaxis 3D Fondation اجزای پایه ای یک شبکه اجزای محدود خاک، اجزای گوه ای 15 گرهی می باشند. این اجزا از اجزای مثلثی 6 گرهی تشکیل شده در شبکه دو بعدی ساخته می شوند. المان گوه ای 15 گرهی متشکل از مثلث های 6 گرهی در جهت افقی و چهارضلعی 8 گرهی در جهت قائم می باشد. دقت المان گوه 15 گرهی و اجزای سازه ای سازگار، قابل مقایسه با اجزای مثلثی 6 گرهی و اجزای سازه ای سازگار در تحلیل دو بعدی می باشد. مدل مورد نظر دارای 5820 المان بوده و تعداد گر های مش بندی 17417 می باشد.با توجه به این که 2 ردیف شمع وجود دارد بنابراین ردیف نزدیک به بار جانبی را ردیف اول و ردیف بعدی را ردیف دوم در مسئله نامگذاری می کنیم. برای شرایط مرزی، نرم افزار Plaxis 3D foundation یک سری گیرداری های عمومی را برای مرز های مدل هندسی خاک در نظر می گیرد .به طوری که کف و دیواره های خاک مدلسازی شده در تمامی جهات گیرداروصفحه بالایی آن در تمامی جهات آزادی حرکت دارد.علاوه براین در نرم افزارplaxis 3D foundation گزینه های جداگانه برای اعمال شرایط مرزی افقی و قائم وجود دارد که می توان از آنها استفاده کرد.
شکل -1 چیدمان گروه شمع
.1. 3 پارامتر های شمع و خاک
برای مدلسازی مسئله از دو نوع خاک با مشخصات جدول((1 استفاده شده است که خاک نوع اول رس و خاک نوع دوم ماسه ای بوده و از مدل رفتاری موهر-کولمب برای هر دو نوع خاک استفاده شده است.در این تحقیق رفتار شمع ها به صورت الاستیک خطی و نوع مصالح آنها به صورت غیر متخلخل تعریف شده است.شمع ها به صورت گروه شمع 2x2 مدل شده است وبرای اینکه شمع ها به صورت همزمان در مقابل نیروی افقی و قائم عمل کنند بر روی گروه شمع کلاهک شمع تعریف می شود که در جدول 2) )مشخصات شمع وکلاهک شمع نشان داده شده است.
جدول -1 مشخصات خاک مورد استفاده
(kN/m3) C(kN/m2) E(kN/m2) جنس خاک نوع خاک
0 16 3 22 0/3 15000 رس 1
0 17 30 0 0/35 40000 ماسه 2
جدول -2 مشخصات شمع وکلاهک شمع
(kN/m3) E (kN/m2) D (m) h (m) BxL(m) پارامتر
مصالح
25 0/2 21000000 0/5 15 - شمع
25 0/2 21000000 - 0/5 2x2 کلاهک شمع
در جداول بالا( E )مدول الاستیسیته، ( ) ضریب پواسون ،((C چسبندگی خاک، (ϕ) زاویه اصطکاک داخلی، (ϒ) وزن مخصوص غیر اشباع ، (ψ) زاویه اتساع ، (B) عرض پی ،((L طول پی ،((h ارتفاع شمع و (D) قطر شمع می باشند.
4. آنالیز مسئله
. 1. 4 تنشهای برجا
بعد از مدل کردن خاک،شمع،کلاهک شمع و بار جانبی همراه با بار قائم در مرحله مدل سازی نوبت به عملیات محاسباتی میرسد. در فاز صفر یا همان (initial phase) تنش های ناشی از وزن خاک قرار گرفته و محاسبه می شود که این فاز حالت طبیعی خود خاک بوده و هیچ گونه عملیاتی در آن انجام نگرفته است.شکل (2) و((3 تنشهای برجا را در رس و ماسه نشان میدهد.
شکل-2تنشهای برجا در ماسه شکل-3 تنشهای برجا در رس
. 2. 4 اعمال بار
در فاز 1 جنس شمع های مدل و در فاز 2 جنس کلاهک شمع اختصاص داده می شود.در فاز آخر که فاز بار گذاری است بار قائم و افقی اختصاص داده می شود.عملیات بار گذاری جانبی هر مدل از 100 تا 500 کیلو نیوتن ادامه پیدا کرده و لازم به ذکر است که در تمامی مدل های ساخته شده بار قائم 100 کیلونیوتن به گروه شمع وارد شده و هر مدل به صورت مجزا تحلیل می شود.همان طور که در مشخصات مسئله اشاره شد ،رفتار مورد نظر برای تحلیل و بررسی رفتار موهر کولمب در نظر گرفته شده است. شکل (4) بار اعمال شده به شمع ها را نشان می دهد.بعد از انجام عملیات برای هر مدل مقادیر جابجایی در امتداد طول شمع،جابجایی نوک انتهای شمع و لنگر خمشی در طول شمع ها بدست می آید.
شکل -4گروه شمع تحت بار جانبی و قائم
. 3. 4 منحنی های جابجایی در امتداد طول شمع
با توجه به اینکه حرکت جانبی در شمع ازاهمیت زیادی برخوردار است و حتما باید تحلیل شود تا از حد مجاز خود تجاوز نکند بنابراین در این مرحله جابجایی شمع در جهت x در امتداد طول شمع مورد بررسی قرار می گیرد.در شکل 5) )،((6،((7و((8 نمودار جابجایی در ردیف اول و دوم در طول شمع و مقدار بار وارد شده به گروه شمع به ترتیب برای خاک ماسه ای یکنواخت و رس یکنواخت نشان داده شده است.با مقایسه این نمودار ها مشاهده می شود که مقدار جابجایی شمع هم در ردیف اول و هم در ردیف دوم در داخل رس در مقایسه با ماسه بیشتر است .دلیل جابجایی بیشتر در رس این
