بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از اصلیترین مباحث در طراحی پیهای سازه مسأله تعیین ظرفیت قابل تحمل توسط این بخش از سازه با توجه به اندرکنش میان پی و خاک زیر آن است. بر این اساس پاسخ سازه متأثر از خواص مکانیکی خاک، فونداسیون و سازه میباشد. در این مطالعه به کمک تحلیل سه بعدی اجزای محدود و به کارگیری معیار موهر کلمب و با بررسی تغییرات فشار- تغییر مکان، ظرفیت باربری نهایی تعیین شده است.
در این تحقیق پی منفرد مورد استفاده پی مربعی با ابعاد 1/8×1/8 متر مربع و پی دایرهای با قطر 1/8 متر با ضخامت فونداسیون 0/7 متر میباشد. جهت بررسی ظرفیت باربری پی بر روی پنج وضعیت خاک ماسهای خیلی شل، شل، متوسط، متراکم و خیلی متراکم با در نظر گرفتن تأثیر زاویه اصطکاک و چسبندگی لایه ماسهای تحت بارگذاری برون محور مشخص انجام شده است و نتایج با روشهای کلاسیک تعیین ظرفیت باربری همچون ترزاقی، هانسن و مایرهوف مقایسه گردیده است .
نتایج این تحقیق نشان میدهد با افزایش تراکم خاک و افزایش زاویه اصطکاک و وزن مخصوص از خاک خیلی شل به خیلی متراکم میزان ظرفیت باربری نهایی پی افزایش یافته و این افزایش از حالت متوسط به بعد روند افزایشی بیشتری به نسبت حالتهای شلتر خاک دارد.
1. مقدمه
خاک زیر پی باید بدون آن که دچار گسیختگی برشی شود، توانایی تحمل بارهای ناشی از سازه مهندسی روی خود را داشته باشد و در ضمن نشست-های حاصل در حد تحمل سازه باشد. در دهههای گذشته مطالعات زیادی بر روی ظرفیت باربری خاکها بخصوص خاکهای چند لایه با توجه به شرایط واقعی خاکها در طبیعت انجام گرفته است. در خصوص چگونگی رفتار خاک زیر پی از لحظه بارگذاری تا لحظه گسیختگی خاک و مخصوصاً در مورد شکل و اندازه بخش گسیخته شده زیر پی تاکنون مطالعات زیادی صورت گرفته است چون روشهای تحلیل خاک و نوع فرضیات بکار رفته در آنها متفاوت است در نتیجه نتایج حاصل قدری متفاوت است
از سوی دیگر در کنار روشهای تحلیلی استفاده از روشهای عددی مناسب و نیز کاربرد روش اجزای محدود به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. از جمله اولین کسانی که به بررسی ظرفیت باربری پیها پرداخت ترزاقی [1] بود که توزیع بار برای تحلیل پیهای سطحی روی خاک دو لایهای را به کار برده است. در ادامه محققین دیگری بر اساس روشهای دیگری همچون تعادل محدود [2-4]، آنالیز محدود [5-10]، روش نیمه تجربی [11-13] و روش اجزا محدود [14-16] به بررسی ظرفیت باربری پیها پرداختهاند.
Loukidis و[17] Salgado به کمک اجزا محدود ظرفیت باربری پیهای نواری و دایرهای را بر روی خاک ماسهای مورد مطالعه قرار دادهاند همچنین Rotta Loria و همکارانش [18] به تعیین ظرفیت باربری محوری توده ماسهای پرداختهاند. محققان [19-20] همچنین بدلیل ضعف خاکهای ماسهای در میزان چسبندگی میان دانهها با مسلح کردن پیهای مربعی به وسیله لایههای ژئوگرید تأثیر آن را در میزان باربری پی مورد مطالعه قرار دادهاند.
هدف از این تحقیق بررسی ظرفیت باربری پی منفرد بر روی لایههای مختلف از خاک ماسهای برای پی مربعی و دایرهای به روش اجزای محدود و مقایسه آن با روشهای کلاسیک همچون ترزاقی، هانسن و مایرهوف است.
2. مدل اجزای محدود
برای بررسی تعیین ظرفیت باربری پی منفرد در اثر بار اعمالی از نرم افزار تجاری اجزا محدود Abaqus استفاده شده و میزان تأثیر پارامترهای مدول الاستیسیته، زاویه اصطکاک داخلی و چسبندگی خاک بر مقدار نشست پی و مقدار باربری نهایی آن مورد ارزیابی قرار گفته است. پی بکار گرفته در این تحلیلها دو پی مربعی به ابعاد 1/8×1/8 متر مربع و پی دایرهای با قطر 1/8 متر با ضخامت فونداسیون 0/7 متر فرض شده است.
ابعاد مدل عددی ساخته شده به شکلی در نظر گرفته شده که شرایط مرزی توده خاک تأثیری بر نتایج نداشته باشد. با توجه به هندسه مدل مشبندی با المانهای مکعبی 8 گرهی صورت گرفته است شکل .1 از پنج نوع خاک ماسهای خیلی شل، شل، متوسط، متراکم و خیلی متراکم با ضریب پواسون برابر 0/3 و زاویه اصطکاک، مدول الاستیسیته و وزن مخصوص خاک متغیر جهت انجام تحلیل در نظر گرفته شده است. مدل رفتاری مورد استفاده در تمامی تحلیلها مدل موهر کولمب میباشد .
- الف - - ب - شکل - 1 مشبندی و ابعاد عددی - الف - پی، - ب - خاک زیر پی.
3. بررسی روشهای کلاسیک در تعیین ظرفیت باربری نهایی
محققان متعددی مسأله روش محاسبه ظرفیت باربری پیها را مطالعه و روابط زیادی را نیز پیشنهاد نمودهاند که از میان آنها روابط مربوط به ترزاقی، مایرهوف و هانسن بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد. یکی از اولین مجموعه معادلات ظرفیت باربری توسط ترزاقی در سال 1943 ارائه شد که از ضرایب شکل در معادلات خود استفاده کرده است رابطه - . - 1 در ادامه مایرهوف معادلهای شبیه به ترزاقی برای تعیین ظرفیت باربری پیشنهاد کرد که در این معادله مایرهوف ضرایب عمق و میل بار را برای حالتهایی در نظر گرفته است رابطه . - 2 - معادله هانسن نیز در واقع بسط بیشتر کار مایرهوف است رابطه :
- NC ، Nq و = N ضرایب ظرفیت باربری
Si ،di ،ii ، gi و = bi ضرایب شکل، عمق، میل بار، شیب زمین و شیب پی.
با توجه به معادلات فوق برای پی با هر نوع خاک زیر آن ظرفیت باربری نهایی آن با روشهای ترزاقی، مایرهوف و
هانسن محاسبه گردیده است.
4. نتایج تحلیل و محاسبات
در این قسمت از تحقیق، مطالعه پارامتری بر اساس مشخصات فنی پنج نوع خاک ماسهای مورد استفاده انجام شده است. پارامترهای تحت تغییر در این خاکها زاویه اصطکاک، وزن مخصوص و مدول الاستیسیته است که مقادیر هر یک در جدول 1 آورده شده است.
جدول -1 مشخصات خاک در نظر گرفته شده در مطالعه.
برای در نظر گرفتن تحلیل واقعی سه بعدی عددی - FEM - پیهای مورد بررسی باید شرایط مرزی مناسب برای پی و توده خاک اعمال گردد به همین منظور دیوارههای کناری توده خاک در جهت افقی و کف آن در هر دو جهت افقی و قائم ثابت گردیده تا شرایط لایه خاک طبیعی برای تحلیل لحاظ شود.
برای تحلیل پیهای مورد بررسی تحت لایههای مختلف ماسه حداکثر تنش قابل تحمل زیر پی تحت بارگذاری را از نرم افزار استخراج کرده و با روابط کلاسیک ترزاقی، هانسن و مایرهوف محاسبه گردیده و هر روش را با تحلیل FEM مقایسه و درصد خطا گرفته و میزان نزدیکی هر روش را به روش عددی برای هر شرایط لایهای خاک میتوان مشاهده نمود. میزان ظرفیت باربری نهایی پی مربعی در جدول 2 ارائه شده است.
جدول -2 نتایج تحلیل و روشهای کلاسیک برای پی مربعی.
در شکل 2 به بررسی میزان تأثیر وزن مخصوص و ظرفیت باربری پی مربعی بر زاویه اصطکاک خاک پرداخته است.
