بخشی از مقاله
خلاصه
مبنای عمده روش های گذشته در تعیین ظرفیت باربری نهایی شالوده های سطحی، بر این فرض استوار است که ضخامت بستر خاکی تحت شالوده بینهایت و همگن است. پذیرش چنین فرضی در برخی موارد با واقعیت فاصله زیادی دارد. در عمل بسترهای خاکی غالبا چند لایه اند. معادلات ظرفیت باربری نهایی پیشنهادی توسط محققین در مورد خاک های تک لایه، قابل انطباق بر بسترهایلایه ای نمی باشند. بنابراین رسیدن به روشی مناسب در تخمین ظرفیت باربری نهایی شالوده های نواری متکی بر بسترهایلایه ای ضروری به نظر می رسد. در این پژوهش از شبکه های عصبی مصنوعی به عنوان ابزاری قدرتمند در مدلسازی فرآیندهای غیر خطی و نامعین، به منظور تخمین ظرفیت باربری نهایی شالوده استفاده شده است. شبکه مورد نظر از نوع پرسپترون چندلایه با الگوریتم پس انتشار خطا و تکنیک یادگیری لونبرگ - مارکوات است. ورودی های مدل شبکه عصبی مصنوعی، عرض پی، ضخامت لایه های خاک و زاویه اصطکاک متناظر با هر لایه است و خروجی شبکه ظرفیت باربری نهایی شالوده است. با توجه به عدم وجود امکانات جهت ایجاد داده های آزمایشگاهی با مقیاس واقعی برای آموزش شبکه، از روش المان محدود برای ایجاد بانک اطلاعاتی محاسبه ظرفیت باربری نهایی استفاده می شود. جهت بررسی اثر پارامترهای مختلف بر روی ظرفیت باربری نهایی و انجام مدلسازی به میزان لازم برای آموزش شبکه عصبی مصنوعی، از نرم افزار المان محدود PLAXIS استفاده می شود. نتایج حاصل از تحقیق حاضر نشان می دهد که با کاربرد شبکه های عصبی مصنوعی می توان با دقت بالایی ظرفیت باربری نهایی را در شالوده های متکی بر بسترهایلایه ای پیش بینی کرد.
واژه های کلیدی: ظرفیت باربری نهایی، شالوده های نواری،شبکه های عصبی مصنوعی، پرسپترون چندلایه
.1 مقدمه
شالوده سطحی1 سازه ای است که وظیفه انتقال بار از سازه فوقانی به بستر زیرین را بر عهده دارد. سطحی بودن شالوده امری نسبی است. شالودهای با نسبت عمق به عرض کمتر از 1 ، شالوده سطحی در نظر گرفته می شود.[1]یک شالوده باید دو نیاز اساسی را مرتفع کند : ظرفیت باربری نهایی و نشست فونداسیون.[2] ظرفیت باربری نهایی در خاک« »، کمترین فشاری است که باعث گسیختگی برشی در خاک بستر زیر شالوده و در مجاورت آن می شود.[3] خاک باید قابلیت تحمل تمامی بارهای طراحی وارده از هر سازه مهندسی بدون مواجه شدن با نشست غیر مجاز و گسیختگی برشی را داشته باشد. ظرفیت باربری نهایی را می توان از روش های آزمایشگاهی و نیز فرمول های عددی- تجربی به دست آورد.
[4] ظرفیت باربری نهایی در شالوده ها، به ابعاد پی بستگی دارد. لذا مدل های کوچک شالوده در آزمایشگاه، با شالودههایی با ابعاد واقعی تفاوت دارند. به این امر تاثیر مقیاس شالوده گفته می شود. که توسط محققین بسیاری بررسی شده است5 ]و .[6 تاثیر مقیاس شالوده که ناشی از ابعاد ذرات خاک است، در صورتی که نسبت عرض شالوده به اندازه ذرات کمتر از100 -50 باشد، بسیار حائز اهمیت است. بنابراین در مورد استفاده از مدل های کوچک مقیاس، باید بسیار با احتیاط عمل نمود. اگرچه برای رسیدن به رفتار واقعی خاک ، باید از آزمایش هایی با مقیاس واقعی استفاده کرد، اما هزینه بر بودن این آزمایش ها ،زمان زیادی می گیرند و همچنین شرایط خاص آزمایشگاهی که دارند، محققین را بر آن داشته است تا از روش های دیگر برای رسیدن به ظرفیت باربری نهایی خاک استفاده کنند.[2] روش های کلاسیک تعیین ظرفیت باربری شالوده های سطحی خاک را تک لایه و همگن فرض می کنند، حال آنکه چنین فرضی همیشه به واقعیت نزدیک نیست. ممکن است در اعماق کم، سطحی صلب وجود داشه باشد و یا خاک بستر چند لایه باشد و پارامترهای برشیلایه های بستر خاکی، با یکدیگر تفاوت داشته باشند.>4@
بررسی های زیادی پیرامون ظرفیت باربری نهایی در طی دهه های اخیر صورت گرفته است. از میان تحقیقات آغازین صورت گرفته، پراندل [7] راه حلی را برای شالودهای نواری که بر روی محیطی بی وزن و کاملا پلاستیک قرار دارد ابداع کرد. رایزنر [8] روش پیشنهادی پراندل را ادامه داد تا تاثیر سربار یکنواخت را نیز در این مسائل بررسی کند. از آنجایی که خاک واقعی بدون وزن نیست، ترزاقی[1] اولین کسی بود که توانست تعریفی جامع از ظرفیت باربری نهایی ارائه کند. روش های ظرفیت باربری عمومی توسط مایرهوف [9]، هانسن [10]، وسیک [11] و سایرین ارائه شد. روش های ارائه شده برای خاک های همگن و تک لایه بود.
تحقیقات صورت گرفته بر روی خاک هایلایهای کاملا گسترده است. از آن جمله می توان به روش میانگینگیری از پارامترهای مقاومتی باولز [4]، روش تعادل حدی بوتون [12]، مایرهوف [13]، روش نیمه تجربی بر مبنای مطالعات آزمایشگاهی براون و مایرهوف [14]، مایرهوف و هانا [15]، روش های عددی بورد و فریدمان [16]، و روش آنالیز حدی چن و دیویدسون [17]، اشاره کرد. اما تحقیقات صورت گرفته، بیشتر محدود به خاک های رسی دو لایه و خاک ماسه ای بر روی خاک رسی بوده است.
.2 تحلیل عددی
در تحلیل های عددی، عوامل موثر بر ظرفیت باربری نهایی از نمودار بار- نشست به دست می آیند. روش های عددی موجود در این زمینه شامل تفاضل محدود، روش المان محدود، روش المان مرزی و المان های گسسته هستند. رفتار خاکهایلایهای را می توان با استفاده از مدلهای خطی و غیرخطی در نرم افزارهای المان محدود ژئوتکنیکی مدلسازی کرد. به این منظور در این تحقیق برای ایجاد بانک داده مورد نظر جهت ارائه به شبکه عصبی مصنوعی از نرم افزار پلکسیس استفاده شده است. هندسه مدل در شکل شماره 1 آمده است. به دلیل تقارن هندسی محدوده، نیمی از شالوده و محدوده خاک زیر آن مدلسازی می شود. محدوده مورد بررسی در هر یک از جهات افقی و عمودی به اندازه 4 تا 20 برابر عرض شالوده گسترده شده است. در محاسبه ظرفیت باربری نهایی با استفاده از این نرم افزار، عضوی به نام شالوده در نظر گرفته نمی شود. ظرفیت باربری نهایی، بار متناظر با نخستین تغییر مکان در میان نمودارهای بار نشست به دست آمده که در آن شیب نمودار بار نشست به مقدار کمینه خود می رسد، تعیین می شود.[18]
شکل شماره -1 هندسه مدلسازی جهت محاسبه ظرفیت باربری شالوده مستقر بر خاک چند لایه
.3 بررسی ابعاد مدلسازی
چه در تحلیلهای نظری و چه در آزمایشها، فاصله نهایی بخش گسیختگی تا کناره پی از 3/5 تا 4 برابر عرض پی بیشتر نیست19] و .[20 ابعاد مدلسازی در این تحقیق با توجه به مدلسازی های صورت گرفته باتوجه به عرض پی و ارتفاع لایه ها، بین 4 تا 20 برابر عرض پی متغیر است.
.4 بررسی ابعاد مش بندی
در نرم افزار پلکسیس می توان از دو نوع مختلف المان های مثلتی استفاده کرد. المان های مثلثی6 گرهی و المان های مثلثی15 گرهی. به دلیل دقت بالاتر المان های15 گرهی در محاسبات المان محدود، در این مطالعه از این نوع المان استفاده شده است.
با توجه به تاثیر اندازه المان ها در نتیجه نهایی نرم افزار، تعدادی آنالیز حساسیت به منظور تعیین اندازه بهینه المان ها صورت گرفت تا علیرغم رسیدن به نتیجه مورد نظر در صرف وقت نیز هزینه شود. با توجه به مطالعات انجام شده در این زمینه [21] و بررسی نوع مش بندی نهایی را متوسط +ریز کردن المان ها در لایه اول خاک + ریز کردن مجدد لایه زیرین پی نواری در نظر گرفته شد.
مشخصات هر لایه خاک در کل لایه یکسان است و با لایه های دیگر متفاوت است.
شکل شماره -2 نمونه ای از مش بندی مدلسازی خاک چند لایه
