بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به افزایش استفاده از پی های شمعی درسواحل ماسه ای کشور و خطر بروز روانگرایی در این مناطق، درک رفتار و عملکرد این پی ها در این نوع خاکها از اهمیت فراوانی برخوردار است. آگاهی از رفتار شمع در خاک روانگرا می تواند متخصصین ژئوتکنیک را در طراحی صحیح شمع های مستقر در خاکهای مستعد روانگرایی یاری نموده و از بکارگیری ضرایب اطمینان بالا بدلیل عدم درک رفتار واقعی شمع در خاکهای روانگرا جلوگیری و باعث اقتصادی شدن اجرای پی های عمیق گردد.
لذا در این مقاله با تمرکز بر روی موضوع ظرفیت باربری محوریشمع ها و خصوصاً شمع های بتن مسلح دایره ای که متداولترین نوع پی های شمعی در کشور محسوب میگردند، به بررسی عوامل و پارامترهای مؤثر بر ظرفیت باربری محوری شمع از قبیل ضخامت لایه خاک روانگرا، فاصله سطح لایه خاک روانگرا تا سطح زمین، سطح آب زیرزمینی و نیز قطر شمع پرداخته شده است.
در این مقاله با مدلسازی حالت روانگرایی برای پروفیل خاک با اعمال زلزله سال 1369 منجیل استان گیلان بر طبق مدل رفتاری فین و به کمک نرم افزار Flac 2D، رفتار شمع بر اساس مدل رفتاری الاستیک مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج این تحقیق نشان داد که با افزایش ضخامت لایه خاک روانگرا و نسبت طول به قطر شمع، ظرفیت باربری محوری کاهش پیدا میکند. همچنین با فاصله گرفتن تراز آب زیرزمینی از سطح زمین تا مرز فوقانی لایه روانگرا، ظرفیت باربری محوری فشاری شمع افزایش مییابد.
مقدمه
کاربرد شمع در سازه ها، دارای طیف بسیار گسترده ای است که از موارد استفاده آن ها می توان به پی پل ها، پی ساختمانهای بلند ساخته شده در در زمین های سست، پی اسکله ها و ... اشاره کرد. پی های شمعی برای انتقال بار از خاکهای سست به لایه های مقاوم در ژرفاهای بیشتر به کار می روند. بخشی از این انتقال بار بوسیله مقاومت اصطکاکی در طول شمع و بخشی دیگر با کمک مقاومت نوک شمع انجام می شود - شمع های اتکایی - . با توجه به کاربرد گسترده شمع ها در سازه های مختلف، بررسی آن در بارهای جانبی مانند زلزله اهمیت ویژه ای پیدا می کند.
خرابی های ایجاد شده در شمع ها در اثر زلزله به گونه ای بیانگر کاستی هایی است که در طراحی و یا ساخت آنها وجود داشته است. بررسی خرابی ها و انجام مطالعات پس از وقوع زلزله همواره منجر به پیشرفت در تحلیل و طراحی و توسعه ضابطه های مناسبتر در اجرا شده است. این پیشرفت و تغییرات در آیین نامه ها به طور گام به گام پس از هر زلزله صورت گرفته که برای نمونه می توان به تغییرات ایجاد شده در آئین نامه - JRA - پس از زلزله 1995کوبه اشاره کرد.
شمع هایی که از لایه های خاک روانگر ا عبور می کنند در اثر روانگرایی حاصل از زلزله، نیروی جانبی کمتری به آن ها وارد می شود. در این حالت شمع می تواند همانند ستون حمایت نشده، آماده ناپایداری محوری باشد. این ناپایداری می تواند به کمانش جانبی شمع در جهت ضعیف تر و ایجاد مفصل مومسان بیانجامد. با توجه به اینکه کمانش شمع به صورت ناگهانی و بدون نشانه مشخص خطر از پیش رخ می دهد، بررسی پایداری شمع در اثر کمانش و محاسبه ظرفیت کمانشی شمع امری ضروری می باشد.
مدل تفاضل محدود
در این مقاله به منظور بررسی رفتار لرزه ای شمع در خاک روانگرا از نرم افزار تفاضل محدود FLAC 2D استفاده شده است. این نرمافزار توسط مجموعه ای از گره ها در قالب یک شبکه تعریف می گردد. هر شکل هندسی را می توان توسط شبکه تفاضلات محدود به صورت مجموعه ای از چهارضلعی ها ترسیم نمود. این نرم افزار با استفاده از تحلیل دینامیکی بر پایه تنش مؤثر به خوبی قادر به محاسبه فشار آب منفذی ایجاد شده در طی بارگذاری می باشد. در این تحقیق، برای مدلسازی خاک در حالت استاتیکی از مدل رفتاری موهر-کولمب و در حالت دینامیکی از مدل رفتاری غیرخطی فین برای شبیه سازی فشار آب منفذی ایجاد شده و روانگرایی خاک استفاده شده است. شمع نیز با استفاده از المان الاستیک خطی شمع - Pile - مدلسازی گردیده است.
مدلسازی شمع و خاک
در این تحقیق، پروفیل خاکی به طول 25 متر و عمق 15 متر همراه با یک شمع بتنی دایره ای به طول 12 متر و قطر 1 متر در نظر گرفته شده است. همچنین با انتخاب12 المان برای شمع و تقسیم هر المان به دو بخش، شمع مورد نظر به 24 بخش و 25 گره تقسیم شد. برای پروفیل خاک نیز 30 ردیف طولی و 30 ردیف عمودی در نظرگرفته شد - شبکه مش .
با توجه به اینکه میزان تغییر شکل ها و جابجایی های خاک در راستای قائم بیشتر از میزان تغییر شکل ها و جابجایی های خاک در راستای افقی میباشد، لذا مش های ساخته شده در مدل بصورت مستطیلی می باشند. نحوه مش بندی پروفیل خاک و همچنین نصب شمع در نرم افزار FLAC 2D در شکل - 1 - نشان داده شده است.
شکل - 1 نحوه مش بندی پروفیل خاک و نصب شمع در FLAC 2D
لایه اول از سطح زمین تا عمق 4 متری از نوع خاک رس لای دار همراه با ماسه - CL-ML - ، لایه دوم از عمق 4 متری تا عمق 8 متری از نوع ماسه لای دار - SM - و لایه سوم از عمق 8 متری تا عمق 15 متری از نوع خاک رس با خاصیت خمیری کم . - CL - جنس لایههای خاک بر اساس مطالعات ژئوتکنیک و حفاری گمانه بدست آمده که مشخصات کامل آنها در جدول 1 ارائه گردیده است.
در مدلسازی شمع و خاک، رفتار شمع مطابق با الگوی رفتاری الاستیک و رفتار خاک مطابق با الگوی رفتاری موهر - کولمب - در حالت استاتیکی - و الگوی فین - در حالت دینامیکی - می باشد. ضمن اینکه ب ر اساس مطالعات ژئوتکنیک انجام شده بر روی خاک مورد نظر، تراز آب زیرزمینی تقرباًی در سطح زمین در نظر گرفته شده است. مشخصات مورد نیاز شمع مدل شده برای مدل الاستیک نیز در جدول 2 ارائه گردیده است.
جدول - 1 پارامترهای لایههای مختلف خاک در الگوی موهر - کولمب
جدول - 2 پارامترهای مورد نیاز شمع بتن مسلح
زلزله اعمال شده به مدل
بارگذاری دینامیکی می تواند به صورت ورودی شتاب - زمان به مدل اعمال شود. زلزله منجیل با توجه به روانگرا کردن خاک منطقه رودبار و منجیل در استان گیلان در هنگام وقوع، با مشخصات زیر به مقیاس درآمده و به مدل اعمال شده است. این زلزله در 31 خردادماه سال 1369 سبب ویرانی شهرهای منجیل، رودبار، لوشان و بخشهای وسیعی از مناطق طارم در استان زنجان گردید. در جدول 3 مشخصات شتاب نگاشت اعمالی به مدل ارائه شده است.
جدول - 3 مشخصات زلزله منجیل - 1369 - اعمال شده به مدل
نمودار تاریخچه شتاب - زمان زلزله اعمال شده به مدل - زلزله 1369 منجیل - در شکل - 2 - نشان داده شده است.
شکل - 2 تاریخچه شتاب - زمان زلزله 1369 منجیل - استان گیلان -
کنترل روانگرایی خاک مدل شده
با توجه به این امر که با تداوم ارتعاشات ناشی از زلزله در خاک، فشار آب منفذی افزایش می یابد، زمانی خواهد رسید که تنش کل برابر با فشار آب منفذی می گردد و تنش مؤثر به صفر می رسد. بر اساس رابطه تنش مؤثر - ، اگر برابر u شود، آنگاه برابر صفر خواهد شد. در این حالت، ماسه هیچ گونه مقاومت برشی نداشته و روانگرایی رخ خواهد داد. شکل - 3 - نمودار افزایش نسبت فشار آب منفذی اضافی به تنش مؤثر قائم اولیه با گذشت زمان را در وسط لایه روانگرا یعنی در عمق 6 متری خاک نشان می دهد. همانطور که می دانیم، هرگاه این نسبت در خاک برابر با یک شود، روانگرایی رخ داده است. این شکل نشان می دهد که لایه ماسه ای، تقریباً در ثانیه ششم زلزله یعنی پس از وقوع حداکثر شتاب زلزله - 0/55g - در شکل - 2 - دچار روانگرایی شده است.
شکل - 3 تغییرات نسبت فشار منفذی اضافی به تنش مؤثر قائم اولیه - u/v - در طول مدت زلزله در وسط لایه روانگرا
منحنی بار- تغییر مکان شمع در حالت روانگرایی و مقایسه با حالت استاتیکی
تغییرات نیروی محوری در طول شمع بر حسب نشست در شکل 4 ارائه گردیده است. این نمودار نشان می دهد که ظرفیت کل مدل عددی در حالت روانگرایی خاک به حدود 1700 کیلونیوتن ظرفیت کل رسیده و در مقابل مدل عددی شمع در حالت استاتیکی که به حدود 3000 کیلونیوتن ظرفیت کل رسیده است، ظرفیت باربری محوریشمع حدوداً 40 درصد کاهش پیدا کرده است.
این مسئله در شکل - 4 - که مقایسه ای بین تغییرات نیروی محوری در طول شمع در برابر نشست شمع در دو حالت استاتیکی و روانگرایی خاک انجام شده، نشان داده شده است. همانطور که مشهود است، در یک تغییر مکان ثابت شمع، ظرفیت باربری کل محوری فشاری شمع به حدود 60 درصد مقدار اولیه - حالت استاتیکی - تقلیل پیدا کرده است. لذا با در نظر گرفتن ضریب اطمینان 2 در حالت استاتیکی، می توان اثر روانگرایی خاک بر ظرفیت باربری محوری فشاری شمع های مستقر در خاکهای مستعد روانگرایی را خنثی نمود. دوباره تأکید می شود که تمامی ظرفیتهای بدست آمده برای شمع در این تحقیق بدون ضریب اطمینان بوده است.
شکل - 4 مقایسه تغییرات نیروی محوری بر حسب نشست شمع در دو حالت استاتیکی و روانگرایی خاک
تأثیر ضخامت لایه خاک روانگرا بر ظرفیت باربری محوری شمع
مقایسه ای بین تغییرات نیروی محوری در طول شمع بر حسب نشست در حالت روانگرایی لایه خاک مستعد روانگرایی با اعمال زلزله منجیل در شکل های 5 و 6 ارائه شده است. این اشکال، حالتی را نشان می دهند که انتهای لایه خاک روانگرا در عمق 8 متری سطح زمین ثابت بوده ولی ضخامت لایه خاک روانگرا بین 2 تا 8 متر متغیر است. همانطور که در این شکل ها مشاهده می شود، با افزایش ضخامت لایه خاک روانگرا، بعلت از دست رفتن مقاومت برشی خاک و در نتیجه افزایش میزان نشست یا تغییر مکان های قائم شمع، ظرفیت باربری محوری فشاری شمع کاهش پیدا می کند.
شکل - 5 تأثیر ضخامت لایه خاک روانگرا بر تغییرات نیروی محوری در طول شمع بر حسب نشست
بطور مثال در حالتی که ضخامت لایه خاک روانگرا 2 متر است، ظرفیت باربری محوری شمع حدود 1900 کیلونیوتن می باشد و با افزایش ضخامت لایه روانگرا، ظرفیت باربری محوری شمع تقرباًی بصورت خطی کاهش یافته و به حدود 1330 کیلونیوتن در حالتی که ضخامت لایه خاک روانگرا 8 متر است، می رسد. نتایج نشان میدهند که با افزایش ضخامت لایه خاک روانگرا 4 - متر - به میزان 1/5 و 2 برابر ضخامت اولیه، ظرفیت باربری محوری شمع بترتیب حدود 8 درصد و 22 درصد کاهش داشته است.
