بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحلیل پایداری تونل با استفاده از روش تحلیل برگشتی تک متغیره متناوب و مقایسه با روش تحلیل پایداری عادی تونل
چکیده
عدم انجام مطالعات ژئوتکنیکی کافی و مناسب باعث میشود تا پارامترهای ژئوتکنیکی لازم برای انجام تحلیلهای ضروری، با دقت کافی همراه نباشد. رفتارنگاری در اطراف مقاطع اولیه حفاری با توجه به قرائت پی درپی تغییرات و تحلیل برگشتی میتواند برای تخمین پارامترهای خاک بهمنظور طراحی در مراحل بعدی و طراحی سیستم نگهداری استفاده گردد. در این مطالعه، ابتدا جهت تحلیل پایداری تونل، مقاطع مختلفی با استفاده از نرمافزار FLAC2D مدلسازی شده است. کلیه محاسبات در سه مرحله قبل، بلافاصله بعد از حفر تونل و همچنین پس از نصب سیستم نگهداری انجام شده است. بهمنظور تحلیل پایداری از هر دو روش تحلیل عادی و تحلیل برگشتی تک متغیره متناوب استفاده و نتایج حاصله با هم مقایسه شده است. همچنین بهمنظور دقت بیشتر در تخمین پارامترهای ژئومکانیکی خاک در برگیرنده تونل حفاری شده از روشهای تحلیل برگشتی جستجوی الگویی و تکمتغیره استفاده شد.
واژه های کلیدی: تحلیل عادی، تحلیل برگشتی تک متغیره متناوب، نرم افزار FLAC2D، رفتارنگاری، پارامترهای ژئومکانیکی خاک
-1 مقدمه
تحلیل پایداری سازههای زیرزمینی بهعلت تغییر در نوع سنگ و خاک، تغییر در ساختارهای زمینشناسی، شرایط تنش منطقه، مراحل حفاری و ایجاد فضای زیرزمینی، از محلی به محل دیگر امری مشکل و پیچیده است. لذا لازم است با استفاده از روشهای مختلف تحلیل پایداری، مقایسه بین نتایج حاصله از آنها و همچنین با قضاوت مهندسی مناسب، وضعیت پایداری در سازه مورد نظر بررسی شود. امروزه روشهای مختلف عددی در زمینه تحلیل پایداری سازههای زیرزمینی وجود دارد که در این تحقیق از روشهای عددی به عنوان ابزاری در تحلیل پایداری استفاده شده است. در هر مرحله شرایط نگهداری مناسب تونل بررسی شده است. مدلسازی عددی ابزار بسیار مفیدی جهت درک رفتار خاک، توزیع تنش و پیشبینی مقادیر تغییر شکل ناشی از حفاری میباشد. اما پیشبینی رفتار مکانیکی سازهها به دلیل نداشتن اطلاعات کافی و دقیق از خاک در برگیرنده فضا و عوارض ساختاری موجود در آن و نیز پیچیدگیهای ژئومکانیکی و ساختارهای زمینشناسی خاک به طور کامل میسر نیست. این پارامترها برای تحلیل پایداری و تعیین سیستم نگهداری مناسب برای سازه بسیار ضروری هستند. این امر لزوم ابزاربندی و رفتارسنجی فضاهای زیرزمینی را پیش از پیش نمایان میسازد. در این راستا که تحلیل برگشتی با دادههای حاصل از ابزاربندی و رفتارسنجی تونلها و مغارها ( در زمان حفاری) که گویای رفتار واقعی خاک میباشد، میتواند علاوه بر ارزیابی قریب به یقین پارامترهای ژئومکانیکی خاک، وضعیت پایداری تونل را نیز مشخص نماید .[3]
در این تحقیق، سعی شده تا بهکمک مطالعات انجامشده در تونل قطار شهری شهرستان کرج، نشان داده شود که چگونه میتوان با افزایش مطالعات مدلسازی عددی و تحلیل برگشتی، اطلاعات با ارزشی در مورد وضعیت تنشهای برجا، پارامترهای ژئومکانیکی خاک و عملکرد سیستم نگهداری موقت بهدست آورد.
-2 معرفی تونل متروی کرج
محدوده مورد بررسی به منظور انجام عملیات ساختمانی، حفاری و اجرای تونل زیرزمینی و با استفاده از روش اتریشی جدید صورت میگیرد که با شرایط ژئوتکنیکی منطقه و جنس طبقات زمین و همچنین ابعاد مقطع تونل مورد اشاره انطباق دارد. از این روش میتوان برای اجرای تونلهای با مقاطع نسبتاً بزرگ استفاده نمود. خاکبرداری و حفاری در این روش توسط لودر و بیل مکانیکی (راد) انجام میگیرد. در این روش جابه جایی خاک در طول مدت حفاری تونل بهوسیله پوشش شاتکریت کنترل میشود. نحوه کار بدین صورت است که بلافاصله پس از یک مرحله پیشروی بهطور مشخص، شبکه فولادی نصب شده، فریمگذاری شده و با انجام بتنپاشی به ضخامت مشخص، جداره موقت بخش حفاری شده اجرا میگردد. پوشش دائمی پس از گذشت مدتی با بتنریزی درجا ساخته میشود.
رفتارنگاری تونل در مقاطع اولیه با نصب سه پین، یکی در تاج و دو عدد در دیوارهها بوده و فواصل آنها با متر همگراییسنجی اندازهگیری میشود. محل ایستگاهها بر اساس شرایط مناسب برای نصب پینها مشخص شده است. در شکل 1 روند همگرایی تونل متروی کرج را در کیلومتر 8+740 به عنوان مقطع مورد بررسی ارائه شده است .[1]
شکل :(1) روند همگرایی در تونل متروی کرج برای ایستگاه 8+740
-3 زمینشناسی تونل متروی کرج
با توجه به نقشهای توپوگرافی موجود، محدوده احداث خط مترو کرج حدوداَ در تراز ارتفاعی 1305 از سطح دریای آزاد قرار
میگیرد. همچنین موقعیت جغرافیایی این پروژه حدوداً تا 35 o 53' عرض شمالی و 50 o 51' طول شرقی میباشد. رسوبات آبرفتی گستره کرج حاصل فعالیت رودخانهها و سیلابهای فصلی منشاء گرفته از ارتفاعات شمال کرج میباشد که سطح اساس نهایی آنها کویر نمک ایران مرکزی به حدود 650 متر از سطح دریا میباشد. ارتفاعات شمال کرج، سنگهای منتسب به سازند کرج و به ویژه سنگهای توف سبز میباشند که تغذیهکننده اصلی رسوبات دشت کرج محسوب میگردند و بخش اعظم قطعات و عناصر تشکیل دهنده رسوبات آبرفتی گستره شهر کرج اعم از تخته سنگها، قلوه سنگها، شن و ریگها را شامل میشوند. از لحاظ کانی شناسی فراوانترین کانی توفها در این منطقه در درجه اول کوارتز و بعد فلدسپات میباشد .[2]
با توجه به مشاهدات حین حفاری و نتایج آزمونهای برجا و آزمایشگاهی، بهطور کلی خاک زیرسطحی محدوده مورد بررسی را میتوان در سه گروه لایههای خاک دستی، خاک ریزدانه و خاک درشتدانه طبقهبندی نمود .[2]
الف) لایه خاک دستی : بررسیهای محلی نشان میدهد که لایههای خاک دستی تا اعماق مختلف گمانههای حفاری شده مشاهده گردیدهاند. به طور کلی ضخامت خاک دستی در حدود 1 الی 2 متر در ساختگاه مشاهده گردیده است. دانه بندی خاک دستی در نقاط مختلف از شن و ماسه (زیر خیابانها) تا رس (در فضای سبز) متغیر بوده است. در برخی مناطق شرقی ساختگاه خاک دستی دارای قطعات درشت قلوه سنگی نیز میباشد.
ب) لایههای خاک ریز دانه :(L1 ) قسمت فوقانی خاک طبیعی محدوده مورد بررسی در نواحی شرقی تا مرکزی از لایههای خاک اغلب ریز دانه رسی (CL) گاهی ماسه یا لایدار و به ندرت ماسه رس و لای دار (SC) و (SM ) مرطوب، بسیار سفت تا سخت و به رنگ قهوهای تشکیل گردیده است. ضخامت این لایه در نواحی مختلف بین صفر تا 15 متر متغیر میباشد. هر چند در نقاط خاصی و به صورت موضعی لنزهای نسبتاً متمرکزی از این لایه در داخل لایههای درشت دانه و در اعماق بیشتر نیز دیده شده است.
ج) لایههای خاک درشت دانه :( L2) نتایج حاصل از بررسیهای انجامشده نشان می دهد که قسمت تحتانی خاک زیرسطحی در محدوده غربی و مرکزی، تقریباً کل بافت خاک محدوده شرقی ساختگاه از لایههای خاک درشتدانه که اغلب گردگوشه، شن و ماسه رس و گاهی لایدار، با تراکم متوسط تا بسیار متراکم و به رنگ خاکستری و گاهی قهوهای و در عمده قسمت ها همراه با قطعات درشت قلوه سنگ همراه می باشد، تشکیل گردیده است. جنس دانهای این لایه عمدتاً آذرآواری، کوارتز و سیلیسدار میباشد. این لایه که در تمامی گمانههای حفرشده تا انتهای عمق حفاری مشاهده گردیده دارای حداقل ضخامت 10 متری بوده است .[2]
-4 انواع روشهای عددی در تحلیل پایداری تونل متروی کرج
در یک تقسیمبندی کلی، روشهای تحلیل پایداری تونلها را میتوان به دو گروه عمده تقسیم کرد: روشهای تحلیل مستقیم با داشتن پارامترهایی نظیر وضعیت بارگذاری، فشارهای خارجی، خصوصیات مکانیکی محیط، هندسه و شرایط مرزی، توزیع تنش و جابجایی در اطراف تونل بدست میآید و مکانیسم گسیختگی تعیین میشود. در صورتیکه آنالیز معکوس معمولاً به عنوان تکنیکی تعریف میشود که میتواند پارامترهای کنترلکننده یک سیستم را از آنالیز رفتار خروجی آن سیستم تعیین کند. در مسائل آنالیز معکوس مربوط به مکانیک سنگ و خاک شرایط فشارها مانند بارهای خارجی یا فشارهای سنگ و خاک و خصوصیات مکانیکی سنگها و خاکها، مثل مدول الاستیسیته، نسبت پواسن، چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی از روی جابهجاییها، کرنشها و فشارهای اندازهگیری شده در طول اجرای پروژه و پس از آن محاسبه میشوند. این روند در حقیقت عکس روند آنالیز معمولی است. تفاوت بین آنالیز معکوس و آنالیز معمولی در شکل 2 نشان داده شده است.[4 ]
شکل :(2) تفاوت بین آنالیز معکوس و آنالیز معمولی .[4]
-1-4 تحلیل برگشتی دادههای حاصل از همگراییسنجی
اساس کار در تحلیل برگشتی بر این امر استوار است که دادههای حاصل از ابزار بندی به عنوان بخشی از نتایج خروجی مدل عددی وارد شده و بر این اساس مشخصات مدل عددی تعیین میشود. در این پروژه داداههای ابزاربندی، محدود به همگراییهای اندازهگیری شده در ایستگاه همگراییسنجی میباشد که به نوعی بیانگر مقادیر جابهجایی المانهای جداره تونل میباشد. در این تحقیق به دلیل اینکه محیط اطراف تونل خاک میباشد از مدلسازی عددی برای محیط پیوسته استفاده شده است. به منظور مدلسازی از نرم افزار FLAC 2D استفاده شده است. در این تحقیق از سه روش تحلیل برگشتی به صورت مجزا که با رویکرد بهینهسازی پارامترهای ژئومکانیکی مواد به کمک روش سعی و خطا پایهگذاری شده است، استفاده گردید. لازم به ذکر است که این الگوریتم، اختلاف میان مقادیر اندازهگیری شده برجا و دادههای به دست آمده از تحلیل تنش را کمینه میکند. این اختلاف معمولاً بر پایه کمینهسازی تابع خطای زیر که تابع هدف نامیده میشود، تعریف میشود:
که در این رابطه i تعداد نقاط اندازهگیری و ui* و ui بهترتیب مقادیر اندازهگیریشده و محاسبه شده از طریق تحلیل عددی در نقاط متناظر هستند. N نیز تعداد نقاط اندازهگیری شده است .[5]
مقادیر اولیه پارامترهای ژئومکانیکی مورد استفاده به طور خلاصه در مدلهای عددی در جدول 1 ارائه شده است. این مقادیر بر اساس نتایج آزمونهای آزمایشگاهی روی نمونههای سالم و نتایج برداشت ژئوتکنیکی در طول مسیر تونل، با استفاده از روابط موجود به دست آمدهاند. در جدول 2 خصوصیات شاتکریت بکار رفته در مدلسازی عددی برای ایستگاه 8+740 و همچنین در جدول 3 خصوصیات قابمشبک بکار رفته در مدلسازی عددی برای ایستگاه 8+740 ارائه شده است.
همچنین مراحل مدلسازی شامل موارد زیر میباشد:
-1 انتخاب شبکه یا محدوده مناسب برای مدل: ابعاد هندسی مدل برای تونل متروی کرج با قطر 9 متر، 45×45 متر انتخاب شده است.
-2 انتخاب مدل رفتاری مناسب و تعیین پارامترهای آن: مدل موهر کلمب به عنوان مدلی برای حالت پلاستیک، مورد استفاده قرار میگیرد. لذا به عنوان مدل رفتاری در مدلسازی تونل متروی کرج استفاده شده است.
-3 اعمال شرایط مرزی و تنشهای اولیه: انتخاب جابهجایی ثابت و برابر صفر برای گرههای مرزی در این حالت. -4 حل مدل و رسیدن به تعادل -5 ایجاد تغییر در مدل در اثر حفاری و رسیدن به حالت تعادل-6 اعمال ترخیص تنش: قبل از حفر تونل، زمین تحت فشار ناشی از تنشهای طبیعی قرار دارد. هرگونه حفریاتی این وضعیت تنش را بههم میزند و باعث جابجاییهایی در زمین میگردد. بهطور کلی همگرایی همیشه پیش از رسیدن سینهکار به مقطع مورد نظر آغاز میشود. در این مورد معمولاً محل شروع همگرایی را از فاصلهای حدود نصف عرض فضای زیرزمینی تا مقطع مورد نظر تخمین میزنند. البته پس از عبور سینهکار از مقطع مورنظر سرعت همگرایی بیشتر میشود. برای تشریح بهتر این مسئله یک
تونل دایرهای حفرشده در محیطی همگن، همسان گرد و تحت تنش های هیدروستاتیک ( ( v h که قرار است با یک پوشش بتنی نگهداری شود، مفروض است. برای تبدیل مسئله به حالت دوبعدی، فرض میشود که تونل در زمان کوتاه و در طولی نامحدود حفرشده و همچنین قسمت تخلیه شده با یک فشار داخلی اعمالی به دیواره تونل جایگزین شود. اگر مقدار این فشار (P)
با تنش طبیعی زمین ( ( 0 که پیش از حفر تونل وجود داشته است برابر باشد، هیچگونه همگرایی بهوجود نخواهد آمد. اما با کاهش فشار داخلی (P) زمین دربرگیرنده، تونل تحت جابجایی قرار گرفته و دیواره تونل به سمت داخل حرکت میکند که به آن همگرایی گفته میشود. این میزان کاهش فشار، ترخیص تنش نامیده میشود. بهجای استفاده از متغیرP میتوان از نسبت تحت عنوان ضریب محصوریت و یا متغیر موسوم به ضریب آزادی استفاده نمود. ضریب آزادی برابر است با:
که در این رابطه Ur جابجایی شعاعی تونل در نقطهای به فاصله r از مرکز تونل است، که با استفاده از رابطه زیر بدست میآید.
