بخشی از مقاله
خلاصه
با افزایش جمعیت شهری و گسترش مسافرت های درون شهری بهره مندی از زیرساختهای حمل و نقل عمومی زیرزمینی مانند متروی شهری افزایش پیدا کرده است. نیل به این هدف، حفاری های زیرزمینی در مناطق شهری با خصوصیات ژئوتکنیکی مختلف را به موضوعی غیر قابل انکار تبدیل کرده است.
در مناطق شهری، به دلیل رشد سریع شبکهی حمل و نقل همگانی زیرزمینی، معمولا گروه شمع مورد استفاده در شالوده ی سازه ها در مجاورت تونلهای شهری قرار میگیرند. تاثیرات ناشی از حفاری تونل در محیط لرزه ای باعث ایجاد اندرکنش خاک- شمع- تونل میشود و درنتیجه با تغییرات به وجود آمده در خصوصیات سازه ای گروه شمع و تونل و همچنین خصیوصیتهای ژئوتکنیکی خاک منطقه، رفتار مهندسی گروه شمع تحت الشعاع قرار گرفته و باعث ایجاد تغییراتی در اثر حفاری تونل متروی شهری در شرایط لرزه ای شده که به ضرورت بررسی این موضوع اشاره میکند.
در این مقاله به بررسی پاسخ دینامیکی گروه شمع تحت اثر تونلزنی در شرایط لرزه ای و اقدام به تحلیل و نتایج حاصل از تغییرات خصیوصیات سازه ای گروه شمع، اثر مقیاس تونل و شرایط ژئوتکنیکی پرداخته شده است. تحلیلها با استفاده از نرم افزار المان محدود Plaxis انجام گرفته است
1. مقدمه
با افزایش جمعیت شهری و گسترش مسافرت های درون شهری بهره مندی از زیرساخت های حمل و نقل عمومی زیرزمینی مانند متروی شهری افزایش پیدا کرده است. نیل به این هدف، حفاری های زیرزمینی در مناطق شهری با خصوصیات ژئوتکنیکی مختلف را به موضوعی غیر قابل انکار تبدیل کرده است.
حفر تونل و دیگر سازه های زیرزمینی منجر به حذف توده ایاز خاک و سنگِ محل، و بروز تغییر های قابل توجه در وضعیت تنش اطراف آن ها می گردد. از جمله پدیده ی مهم ناشی از این دست خوردگی وقوع نشست در سطح زمین می باشد، این امر به ویژه در مورد تونل های کم عمقِ حفر شده در مناطق شهری از اهمیت زیادی برخوردار است .
حرکت سطحی بر اثر حفر تونل های کم عمق و به خصوص در مناطق شهری و مسکونی تفاوت زیادیبا بُروز این پدیده در تونل ها و سازه های زیرزمینی عمیق از قبیل معادن دارد. این تفاوت نه تنها به خاطر اختلافات در عمق و وجود لایه های مختلف زمین شناسی، بلکه به خاطر حساسیت نسبت به میزان نشست و اثرات احتمالی بر سازه های دیگر قابل توجه و بررسی است .
از آنجا که حفر تونل در خاک معمولاً در اعماق کم صورت می گیرد، تاثیر آن می تواند تا سطح زمین گسترش یابد و یک فرورفتگی به نام گود نشست3 را در سطح زمین ایجاد نماید. این نشست برای سازه های موجود خطراتی را به همراه دارد .[3] از طرفی با توجه به کاربرد پی های عمیق که به صورت تک شمع و گروه شمع برای دو منظور، انتقال تنشِ ایجاد شده ناشی از بار سازه بر پی، به لایه های خاکی با مقاومت بالاتر از لایهای سستِ
سطحی و همچنین کاربرد آن ها برای کنترل میزان نشست در سازه های حساس به نشست و جابه جایی های سطحی، به کار برده می شود، در هنگام حفاری تونل به تاثیر محدوده ی حفاری بر روی تک شمع و گروه شمع نیز باید توجه نمود. چگونگی و کمیت تاثیر نشست ناشی از حفاری تونل به
دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی قم 22 و 23 مهر ماه 1394
عوامل مختلفی از جمله شرایط خاک، آب زیرزمینی، موقعیت تونل و غیره بستگی دارد [3]به همین دلیل مساله نشست بر اثر تونل سازی و اثرات متعاقب آن همواره از سوی محققین تحت بررسی بوده است تا با اتخاذ شیوه های مناسب میزان آن را قبل از شروع به عملیات ساخت برآورد کنند
لیو و همکاران [4] - 2011 - در آنالیز عددی ظرفیت باربری پی های شمعی تحت اثر تونل زنی از روش اجزای محدود و مدل الاستوپلاستیک در نرم افزار انسیس1 استفاده نمودند. مدلسازی با استفاده از مدل رفتاری دراگرپراگرِ- الاستوپلاستیک بر اساس معیار گسیختگی موهر-کلمب انجام شده است
. با استفاده از منحنی بار-نشست در روش شن و همکاران [5] - 2004 - ، ظرفیت باربری گروه شمع محاسبه شده و تاثیر حفر تونل شهری بر ظرفیت باربری تک شمع و هم چنین کارایی شمع در فواصل طولی متفاوت از مرکز تونل مورد بررسی قرار داده اند - شِن و همکاران، . [5] - 2004 در نتایج خود گزارش نمودند که با افزایش طول شمع، ظرفیت باربری نیز افزایش می یابد. همچنین در حالات مختلف با طول های متفاوت، ظرفیت باربری در اثر حفاری کاهش پیدا می کند.
در گزارشات کوردینگ و هنسمیر1975 - 2، - اِتِوِل[7] - 1977 - 3 [6]، مورتون و کینگ[8] - 1979 - 4 و اتول و همکاران[9] - 1986 - 5 بیشتر مطالعات انجام شده در مورد تاثیر حفاری تونل بر رفتار شمع مجاور محدوده ی حفاری، بر مفهوم محدوده ی تأثیر متمرکز شده است. این محدوده توسط خطی که راستای عمود زاویه ی ⁄ را تشکیل می دهد نمایش داده می شود. این خط از مرز تونل شروع شده و تا سطح زمین امتداد می یابد.
جاکوبز و همکاران[10] - 2001 - 6 در مورد محدوده ی تاثیر حفاری تونل بر شمع مجاور محدوده ی حفاری، خط تأثیر بحرانی - خطی با زاویه ی 60 درجه نسبت به افق - و همچنین خط تأثیر نرمال - خطی با زاویه ی 45 درجه نسبت به افق - را معرفی کردند. نشست زیاد شمع طی کاهش حجم تونل زنی در اثر حفاری در آزمایش سانتریفیوژ، در این محدوده مشاهده شده است. . برای مدلسازی عددی نرم افزار المان محدود کِریسپ7 - بریتو و گان[11] - 1987 - 8 و وودز و رحیم[12] - 2001 - 9 را به کار گرفته اند. برای این منظور از المان های مثلثی 6 گره ای، المان های مثلثی 8 گره ای، المان میله ای 2 گره ای و المان 6 گره ای سطح تماسی به ترتیب برای خاک، شمع، محیط تونل و سطح تماسی بین شمع و خاک استفاده شده است.
در مدلسازی عددی، از مدل رفتاری الاستوپلاستیک ایده آل بر مبنای محدوده ی تسلیم موهر-کلمب بهره گرفته اند. همچنین در نتایج خود گزارش نمودند که نیروی محوری شمع بسته به محل قرارگیری نسبت به محور تونل بشدت تحت تأثیر قرار می گیرد. جابجایی قائم و افقی نوک شمع در هر دو روش مدلسازی آزمایشگاهی و آنالیز عددی مطابقت خوبی را نشان می دهد. بعلاوه بیان داشتند که محدودهی تاثیر به عواملی از جمله موقعیت قرارگیری نوک شمع، کاهش حجم تونل زنی، مقاومت خاک، نیروی اعمالی به شمع و اندازه ی شمع بستگی دارد. علاوه بر این، محدوده ی تأثیر نشست نوک شمع نسبتاً عریض تر و عمیق تر از نواحی ارائه شده توسط کوردینگ و هنسمیر 1975 - ، - [6]اِتِوِل [7] - 1977 - ، مورتون و کینگ - 1979 - [8] و اتول و همکاران [9] - 1986 - ، نشان داده شد.
2. مواد و روشکار مدلسازی
برای این منظور از مدلسازی عددی به روش اجزای محدود استفاده شد. مقدار تغییرات رفتار مهندسی گروه شمع در اثر حفاری تونل، تحت اثر هر یک از خصوصیت های متغیر مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. برای مدلسازی، از نرم افزار اجزاء محدود پلکسیس[13] استفاده شد، و تئوری کرنش صفحه ای و مدل رفتاری موهر-کلمب برای محیط خاکی منظور گردید و برای حصول دقت کافی در مدلسازی المان های مثلثی 15 گره ای و مشبندی مناسب برای آنالیز صحیح مدنظر قرار گرفته شد.
برای مدلسازی از یک الگوی ثابت با مشخصات ذکر شده در جدول 1برای پارامترهای ژئوتکنیکیِ لایه های مختلف خاک استفاده شد. همچنین بمنظور خصوصیت های سازه ای برای مدلسازی شمع، سرشمع و پوشش تونل از خصوصیت های ذکر شده در جدول 2 استفاده شد و پس از آن با تغییر در پارامترهای مورد مطالعه، تاثیر هر کدام از پارامترها، در تغییرات رفتار مهندسی گروه شمع در اثر حفاری تونل، مورد بررسی قرار گرفت.
سربار تونل - ZTunnel - در مدلسازی برابر با 10 متر و قطر تونل - DTunnel - برابر با 7 متر در نظر گرفته شد؛ در کلیه ی حالات بررسی میزان کاهش حجم تونل زنی برابر با 2 درصد اعمال شد. همچنین به منظور مدلسازی دقیق متناسب با فضای طبیعی تحت اثر انتشار امواج زلزله، مرزهای جانبی مدل به صورت جاذب انرژی زلزله در نظر گرفته شد که از انعکاس مجدد امواج پس از برخورد با مرزهای مدل، جلوگیری شود و به مرز پایینی مدل برای مدلسازی فضای لرزه ای در راستای افق به میزان 10 سانتی متر جابجایی افقی اعمال شد.
با توجه به 0جدول 1، ضریب Rinter ضریبی برای معرفی میزان درگیری سطح تماسی بین دو سطح مختلف می باشد که در این جا سطح تماس بین خاک و بتن - شمع - را مدنظر قرار می دهد، Rinter برای لایه ی دوم خاک برابر با 0/3 در نظر گرفته شده است؛ که برابر با ضریب درنظر گرفته شده توسط لیو و همکاران - 2011 - می باشد .[14,15] مقدار این ضریب بستگی مستقیم به نوع خاک و نحوه ی اجرای سازه ی در تماس با خاک دارد. برای مدلسازی حالت لرزه ای از شتاب نگاشت زلزله ی آپلند در سال 1990 میلادی با قدرت 5/4 ریشتر استفاده شده است.
جدول -1 مشخصات ژئوتکنیکی لایه های مختلف خاک
شکل -1 نمای کلی محیط مورد مطالعه
جدول -2 مشخصات سازه ای شمع، سرشمع
