بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تعيين فشار، تنش مؤثر و شتاب در راستاي قائم تونل مدفون در خاک ماسه ايي تحت تأثير انفجار سطحي
چکيده :
امروزه سازه هاي زيرزميني با توجه به شرايط گسترش و توسعه شهرها، به طور فزآينده ايي ساخته شده و مورد بهره برداري قرار مي گيرند. در اين پژوهش ابتدا رفتار خاک ماسه ايي تحت بار انفجار مورد بررسي قرار گرفته ، سپس به ارزيابي پاسخ ديناميکي تونل مدفون تحت تأثير انفجار سطحيپرداخته شده است . شبيه سازي عددي در اين مقاله به وسيله نرم افزار المان محدود LSDYNA انجام شده است . نتايج بيانگر اين است که فواصل ٠ تا ٧ متر از ابتداي تونل و ٠ تا ٢٢.٥درجه بر روي محيط تونل ، بيشترين ميزان آسيب پذيري را دارا مي باشند. بحث وتجزيه و تحليل پيرامون نتايج بدست آمده ، از نکات مطرح شده در اين مقاله مي باشد.
واژه هاي کليدي:انفجار، LSDYNA، تونل مدفون ، فشار، تنش مؤثر
مقدمه :
سازه هاي زير زميني براي مقاصد مختلف و در ابعاد بسيار وسيع ساخته مي شوند، مثل تونل هايي که به طور فزآينده ايي براي عبور فاضلاب شهري يا تونل هايي که در کوه و يا زيرزمين براي مقاصد نظامي و ذخيره سازي مهمات جنگي ايجاد مي کنند. همچنين با توجه به شرايط اقليمي و جغرافيايي کشورها، توسعه و گسترش شهرها و مراکز صنعتي، تونل هايي براي عبور و مرور مترو بين دو شهر يا کشور در زير زمين يا زير آب احداث مي کنند. اغلب شهرهاي بزرگ دنيا توانايي و گنجايش داشتن سيستم حمل و نقل روي سطحي را نداشتند و در نتيجه به سيستم هاي حمل و نقل زير زميني از قبيل مترو روي آورده و بدون دست خوردگي در سطح زمين ، با احداث خطوط متعدد مترو،شبکه وسيعي از حمل و نقل را در شهرها ايجاد کرده اند. در بعضي شرايط براي ايجاد ارتباط بين دو شهر يا کشور که در دو طرف دريا هستند، که به دلايل اقتصادي و يا شرايط جوي قادر به احداث پل بر روي دريا نيستند، مجبور به احداث تونل در زير دريا و عبور از ساحل هستند. با توجه به گسترش روزافزون استفاده از تونل ها، طراحي ايمني تونل ها اهميت خاصي پيدا مي کند. از جمله مواردي که بايد در طراحي مد نظر گرفت ، بررسي پاسخ ديناميکي آنها تحت بار انفجار مي باشد.بنابراين با توجه به اهميت سازه هاي مدفون ، تحقيقات زيادي برروي اثر انفجار بر اين گونه سازه ها انجام شده است .
يانگ و همکاران [ ]مدل خرابي تجمعي همگن را بسط دادند و مدل را با مقايسه نتايج عددي و آزمايش انفجار تنظيم کردند. وو و همکاران [٢] مدل خرابي ناهمسانگرد(Anisotropic) را براي پيش بيني ناحيه خرابي در محدوده چال انفجار معرفي کردند. تلاش هاي بسياري براي تهيه فرمولي تجربي براي ارزيابي ناحيه خرابي توده سنگ که پارامترهاي دانسيته ماده منفجره و هندسه تونل را در برگيرد انجام شد، که در مدل وو بر اساسحداکثر سرعت ذرات و نشانه خرابي (Damage index criterion) تنظيم شده است .باختر در سال ١٩٨٨ در بيابان جنوب کاليفرنيا در يک آزمايش با مقياس واقعي،انفجار را بر روي تونل انجام داد و در اين آزمايش خطرات تخريب و آسيب هاي ناشي از زمين لرزه به وجود آمده بر اثر موج انفجار را بر روي تونل بررسي کرد[٣].
لاکسوني و همکاران در آزمايشگاه ، انفجار بر روي سطح خاک را انجام دادند و نتايج آنرا با هر يک از دو مدل لاگرانژي و اويلري خود مقايسه کرد و مقدار تخريب را در سه حالت با هم مقايسه کردند [٤].فلدگان و همکاران در سال ٢٠٠٧ تاثير خاصيت الاستو پلاستيک بودن خاک را در اندرکنش خاک و تونل تحت انفجار در داخل تونل را ارزيابي کردند [٥]و همچنين ژيا در سال ٢٠١١ اثر انفجار در داخل تونل را بر تونل مجاور که در صخره حفاري شده بوده اند را بررسي کرد و خسارت هاي وارده بر بدنه تونل و صخره هاي مجاور را با استفاده از شبيه سازي عددي و آزمايشي هاي ميداني برآورد کرد[٦].صفايي و همکاران در سال ٢٠١٢ در حالت عددي حداکثر سرعت و تنش ذرات خاک را براي سه نوع خاک با ميرايي هاي مختلف ، تحت انفجار بدست آوردند و نتايج را با فرمول هاي تئوريک مقايسه کردند[٧].
در ادامه پژوهشهاي انجام شده ، در اين مقاله به بررسي پاسخ ديناميکي تونل مدفون به شعاع داخلي٣.٩٣ متر و شعاع خارجي ٤.٧٨ متر واقع در عمق ٧ متري از سطح زمين تحت انفجار سطحي ١٠٠٠ کيلو گرم TNT پرداخته شده است [٨].ابعاد تونل مورد بررس در شکل ١ نشان داده شده است .براي اطمينان از صحت نتايج ، مقايسه اي بين نتايج عددي و نتايج تحليليبرگرفته شده از آيين نامه ارتش آمريکا(١-٨٥٥-TM٥) انجام شده است [٩].
٢. مدل سازي عددي
همانطور که در شکل ٢ نشان داده شده است ، حجم مورد بررسي متشکل از خاک، هوا، تونل و TNT مي باشد که به دليل وجود تقارن در حجم مورد بررسي و به منظور صرفه جويي و کاهش در حجم محاسبات ، 1/4 حجم مذکور مدل شده و محاسبات لازم انجام خواهد شد، بنابراين از جابجايي هاي انتقالي عمود بر صفحات (xz و yz) جلوگيري شده است [١٠]. در اين پژوهش براي مدل سازي از المان ٨ گره اي ١٦٤-Soild استفاده شده است [١١]و به منظور جلوگيري از گسيختگي المان تحت تغيير شکل هاي بزرگ ، آناليز در فضاي لاگرانژي-اويلري انجام خواهد شد که سايز المان ها cm ٥٠ در نظر گرفته شده است [١٢].
در اين پژوهش ابتدا اثر انفجار بر روي خاک ماسه ايي بررسي شده و نتايج عددي باآيين نامه انفجار ١-٨٥٥-TM٥مقايسه ميشود، پس از اطمينان از صحت نتايج ، اثر انفجار بر روي تونل مدفون بررسي خواهد شد و ميزان فشار و تنش موثر وارد بر نقاط مختلف تونل نشان داده شده مي شود.
٣. بررسي انفجار روي خاک بدون وجود تونل :
در شکل ٣ نحوه توزيع امواج فشاري در زمان هاي مختلف نشان داده شده است . همانطور که مشاهده مي شود امواج در خاک شکلي کروي به خود گرفته و با گذشت زمان ، فضاي بيشتري از خاک را احاطه مي کند، به طوري که در زمان ٠.٠١٥ ثانيه موج به عمق ٤ متري رسيده و شعاع ٣.٥متر را دارا است ، در زمان ٠.٠٦٥ثانيه به عمق ٧ متر رسيده و شعاع ٩ متر را ايجاد کرده و در زمان ٠.٢١٥ثانيه به عمق ١٢ متر ميرسد.
در شکل ٤ نمودار اموج فشاري در عمق هاي مختلف خاک، دقيقا در زير محل انفجار نشان داده شده است . با مشاهده و مقايسه شکل هاي ٣ و ٤مي بينيم که در لحظات اوليه انفجار، شدت امواج فشاري مقدار زيادي را دارا است ولي فضاي کمتري را در خود اشغال کرده ، با گذشت زمان موج به عمق پايين تري از خاک مي رسد وبا وجود اينکه فضاي بيشتري از خاک را تحت تاثير خود قرار داده ، داراي شدت و مقدار کمتري نسبت به زمان هاي اوليه انفجار است .
شکل ٤:امواج فشاري در عمق هاي مختلف از خاک
٣-١مقايسه بين نتايج عددي و نتايج قابل پيش بيني به وسيله آيين نامه انفجار ١-٨٥٥-TM٥:
با توجه به شکل ٤مشاهده مي شود که ماکزيمم مقدار فشار در عمق هاي ٤، ٥، ٦، ٧ و ٨ متري به ترتيب مقاديرMPa٢٧٤،MPa١٤٨،MPa٠٦٥،MPa٠٢١ و MPa٠١١ را دارا مي باشند که با مقايسه با پيک فشار در عمق ٤ متر، شاهد کاهش امواج فشاري به ميزان %٤٦، %٧٦، %٩٢ و %٩٦ مي باشيم .
حال با استفاده از آيين نامه انفجار ارتش آمريکا[١٣]،١-٨٥٥-TM٥ مقدار ماکزيمم فشار در عمق هاي مذکور بدست آورده شده و مقايسه ايي مي شود با مقادير ماکزيمم فشار بدست آمده توسط نرم افزار، تا بتوان از صحت نتايج عددي اطمينان حاصل کرد وميزان اختلاف را بدست آورد. با استفاده از فرمول ١ ماکزيمم مقدار فشار بدست آورده مي شود.
که در آن PP ماکزيمم فشار (pa)،f ضريب پيوستگي، pc امپدانس ، Rفاصله تا نقطه انفجار وزن ماده منفجره ضريب کاهش مي باشند. لازم به ذکر است که ضريب کاهش و سرعت انتشار براي خاک هاي دانه اي به وزن مخصوص خشک و براي خاک هاي چسبنده به حجم حفرات خالي وابسته است .
بر اساس مشخصات تيپ هاي خاک موجود در برنامه هاي آزمايشي انفجارو با فرض ٠٤=f و با استفاده از فرمول فوق ، ماکزيمم فشار در عمق هاي مختلف از خاک بدست آورده شده و در جدول ١ مقايسه اي با نتايج عددي انجام شده و ميزان اختلاف بين دو روش بدست آورده شده است . همانطور که مشاهده مي شود مقادير بدست آمده براي حداکثر فشار در حالت عددي بيشتر از مقادير بدست آمده توسط آيين نامه است ، که اين ميزان اختلاف بيانگر در جهت اطمينان بودن آيين نامه مي باشد.
پخش شوک در زمين در محيط خاکي تابع پيچيده اي از خواص ديناميکي خاک و هندسه انفجار مي باشد. در شکل ٤، ميزان شتاب ذرات خاکدر راستاي قائم به دليل شوک و ضربه وارد شده بر خاک در عمق هاي مختلف در زير ناحيه انفجار نشان داده شده است .
شکل ٤: شتاب قائم ذرات خاک در عمق هاي مختلف
مشاهده ميشود که ماکزيمم شتاب قائم ذرات خاک در فواصل اوليه از محل انفجار به مراتب بيشتر از ماکزيمم شتاب ذرات در فواصل دورتر از محل انفجار است ،بطوريکه ملاحظه مي شود، ماکزيمم شتاب ذرات خاک در عمق هاي ٤،٥،٦،٧ و ٨متري به ترتيب مقادير٤٢٦٠،٢٦٣٠،١٦٨٠،٥١٠و١٧٥ را دارا هستند.بطور کلي مي توان بيان کرد که با افزايش فاصله از محل انفجار،ميزان شتاب و فشار کاهش مي يابد.
٣-٢ بررسي انفجار روي تونل مدفون :
شکل ٥، انتشار امواج فشاري در خاک در زمانهاي مختلف را نشان مي دهد. هنگامي که امواج فشاري در زمان ٠.٠٦٥ثانيه به عمق ٧ متري از زمين ميرسد، به تونل برخورد کرده و تونل مانع از ادامه و انتشار امواج در خاک مي شود و باعث مي شود انرژي انفجار از اين زمان به بعد به تونل انتقال يابد.مشاهده مي شود که نقاط فوقاني تونل بيشتر از نقاط مياني و پاييني تونل در معرض آسيب قرار گرفتهو در کل نقاط پاييني تونل کمترين ميزان آسيب ديدگي را دارا مي باشند. امواج فشاري از هر دو مسير طولي و عرضي روي تونل انتشار مي يابند ولي سرعت انتشار امواج درراستاي طولي تونل بيشتر است [١٣].
