بخشی از مقاله
خلاصه
به منظور طراحی مناسب مجاري مدفون، نیاز به تعیین مناسب مقدار فشار وارد بر این سازههاي زیرزمینی میباشد. چنانچه این مجاري در زیر خاکریزهاي با ارتفاع زیاد قرار گرفته باشند به علت فشارهاي اعمالی بزرگ این مسئله از اهمیت بیشتري برخوردار بوده و لزوم بررسی این مسئله را کاملاً آشکار میسازد. در این مقاله به بررسی مقدار فشار وارد بر مجاري جعبهاي مدفون در خاك به چهار روش متفاوت پرداخته شده است.
این چهار روش عبارتند از: - 1 دفن در خاکریز - 2 دفن در ترانشه - 3 دفن در خاکریز همراه با یک لایه مصالح نرم - 4 دفن در ترانشه همراه با یک لایه مصالح نرم.
در هر یک از این موارد با انجام تحلیلهاي عددي، الگوي توزیع تنش و مقدار تنش وارد بر این مجاري مورد مطالعه قرار میگیرد. تحلیلهاي عددي با استفاده از نرمافزار اجزاء محدود و با در نظر گرفتن مدل رفتاري موهر-کولمب و الاستیک خطی، به ترتیب براي مصالح خاکی و مجرا انجام شده است. نتایج نشان داد که در روش اول مقدار فشار وارد بر مجرا بیش از مقدار فشار ناشی از وزن ستون خاك قرار گرفته در بالاي آن است، در حالیکه در سه روش قرار گیري دیگر فشار منتقل شده به تاج مجرا کمتر میباشد.
.1 مقدمه
مقدار فشار وارد بر مجراي مدفون به منظور طراحی آبراههها و خطوط لوله مدفون داراي اهمیت بوده و عدم اطلاعات کافی در مورد آن میتواند منجر به طراحی غیراقتصادي و یا خرابی و عدم عملکرد مناسب تحت بارهاي بهرهبرداري گردد.
در این میان به علت احداث جادهها و خاکریزهاي بعضا با ارتفاع زیاد و اعمال فشارهاي بزرگ به مجاري مدفون، نیاز است که تاجاي ممکن مقادیر تنش انتقال شده به این مجاري کاهش و تحت کنترل قرار گیرد. روشهاي مختلفی به منظور دفن مجاري در خاك وجود دارد و محققین مختلف با استفاده از روابط تحلیلی و تجربی[4 ,3]، اندازهگیريهاي در محل[6 ,5]، مدلهاي آزمایشگاهی[8 ,7] و تحلیلهاي عددي[10 ,9] به ارزیابی مقادیر تنش پرداختهاند. با این وجود تا کنون مقایسهاي جامع بین روشهاي مختلف و کارائی آنها در میزان کاهش تنش وارد بر مجراي مدفون بر اثر فشار سربارهاي بزرگ به عمل نیامده است.
در این مطالعه هدف پرداختن به این موضوع بوده و با توجه به اهمیت کاهش فشار، روشی معرفی شده و میزان کارائی آن در مقایسه با روشهاي مرسوم دفن مجاري، مورد توجه قرار گرفته است. قابل توجه است که در این مطالعه به علت تغییرات الگوي توزیع تنش در اطراف مجراي قرار گرفته در خاکریز به روشهاي مختلف، مقادیر نشست مصالح خاکریز و همچنین مقدار فشار وارد بر وجوه مختلف مجراي با مقطع مربع مورد توجه قرار گرفته است.
.2 مدلسازي
به منظور انجام مطالعه مورد نظر براي بررسی مقدار فشار وارد بر مجاري جعبهاي مدفون و همچنین بررسی مقدار تغییر شکل خاك، در شرایطی که مجرا به چهار روش مختلف در خاك مدفون میگردد، مبادرت به ایجاد مدلهائی شده است و موارد مذکور مورد ارزیابی قرار گرفته است. این چهار مدل عبارتند از:
- 1 استقرار مجراي جعبهاي در خاکریز - PPM1 - ، که در این حالت مجرا در خاکریز قرار گرفته و به منظور دفن آن از ترانشه و مصالح نرم استفاده نشده است،
- 2 استقرار مجراي جعبهاي به روش استقرار در ترانشه ناقص - ITM2 - ، در این روش مجرا در خاکریز واقع شده و بالاي تاج آن یک لایه مصالح نرم با هندسه مشخص قرار گرفته است،
- 3 استقرار مجرا در ترانشه PPM-Trench، در این روش مجرا در داخل یک ترانشه با عرض محدود قرار گرفته و
- 4 استقرار مجرا در ترانشه و قرار گیري مصالح نرم در بالاي آن .
ITM-Trench هندسه این چهار روش در شکل 1 نشان داده شده است. در این مطالعه از EPS3 یا همان ژئوفوم به عنوان مصالح نرم استفاده گردیده است.
شکل -1 چهار روش استقرار مجراي جعبه اي در خاك
ابعاد مرزهاي خارجی 15 در 15 متر و ابعاد مجرا 1/5 در 1/5متر مربع است که به صورت صلب میباشد. ارتفاع ترانشه 7/5 متر و عرض مجرا 2/5 متر انتخاب شده است. ضخامت لایه ژئوفوم برابر 0/75 متر معادل 0/5Bc و عرض آن برابر Bc - Bc، عرض مجرا - ، فاصله کف ژئوفوم تا تاج مجرا نیز 0/3 متر معادل 0/2Bc همانطور که در مرجع [11] اشاره شده، انتخاب شده است. ترانشه اطراف خاکریز به صورت صلب مدلسازي شده تا تغییرشکلی نداشته باشد و تغییرشکل آن بر نتایج تحلیل تاثیرگذار نباشد. به منظور شبیهسازي رفتار خاك از مدل الاستو-پلاستیک با معیار گسیختگی موهر-کولمب بهره گرفته شده و مشخصات آن در جدول 1 ارائه شده است.
رفتار ژئوفوم در این مطالعه به صورت الاستیک خطی با مدول الاستیسیته 6 مگاپاسکال و ضریب پواسون 0/1 اختیار شده که مقادیر معمول براي ژئوفوم با وزن مخصوص 20 کیلوگرم بر مترمکعب میباشند.[12] همچنین از آنجائی که هدف تنها بررسی فشار وارد بر مجرا به علت فشار سربار بوده و به منظور حذف پارامترهاي دیگر تاثیرگذار در این موضوع، مجراي جعبهاي مدفون به صورت صلب مدل شده و بنابراین هیچ تغییر شکلی براي آن مورد انتظار نمیباشد.
جدول -1 مشخصات خاك مورد استفاده مدلسازي
سطح مشترك خاکریز-مجرا با در نظر گرفتن ضریب اصطکاك 0/4 که بیانگر یک زاویه اصطکاك φ67/0 براي سطح خاك-بتن است، مدل شده φ - ،زاویه اصطکاك داخلی خاك - و ضریب اصطکاك خاکریز-دیواره ترانشه 0/6 درنظر گرفته شده است. خاکریزي درون ترانشه در یک مرحله انجام گرفته و فشار سطحی برابر 500 کیلوپاسکال به منظور شبیهسازي فشار ناشی از خاکریز با ارتفاع زیاد، به سطح مدلها اعمال شده است.
چگونگی شبکهبندي اجزاء محدود مدل در روش چهارم که به لحاظ هندسی پیچیدهترین روش میباشد، به عنوان نمونه در شکل 2، نشان داده شده است.
شکل -2 شبکهبندي اجزاء محدود مدل ITM-Trench
.3 نتایج
پس از مدلسازي و اعمال سربار بر روي مدلهاي ایجاد شده، مقادیر تنش قائم و همچنین تغییرشکلهاي قائم در هر چهار مدل مورد توجه قرار گرفته است. شکل 3، الگوي توزیع تنش قائم و تغییرشکل قائم بر اثر فشار سربار برابر 500 کیلوپاسکال را در خاکریز و اطراف مجراي مدفون نشان میدهد. در این شکل مشاهده میشود که مقدار تنش قائم با نزدیک شدن به تاج مجرا دچار افزایش شده و یک تمرکز تنش در کنارههاي سقف اتفاق افتاده است.
در واقع همانگونه که مشخص است مقدار نشست در کنارههاي مجرا نسبت به ستون روي سقف مجرا بیشتر بوده که این اختلاف تغییر شکل باعث پائین کشیدن ستون میانی خاك و در نتیجه اعمال فشار بیشتر به سقف مجرا گردیده است. این پدیده به نام پدیده قوس منفی شناخته میشود.
شکل -3 توزیع تنش قائم - الف - و تغییر شکل قائم - ب - در روش ITM
با قراردادن یک لایه ژئوفوم در بالاي مجراي مدفون شده در خاکریز میتوان مقدار تنش وارد بر سقف را کنترل و کاهش داد - شکل . - 4 در این حالت مقدار نشست ستون خاك بالاي سقف مجرا نسبت به ستونهاي کناري بیشتر بوده و باعث انتقال تنش از ستون میانی به ستونهاي خاك مجاور و در نتیجه کاهش تنش بر سقف مجرا میگردد که به این پدیده قوس مثبت اطلاق میشود. در واقع قرار گرفتن لایه ژئوفوم باعث کاهش تنش قائم بر سقف مجرا شده در حالیکه مقدار نشست سطحی از حدود 10 سانتیمتر در روش PPM به مقدار 12 سانتیمتر افزایش پیدا کرده که با توجه به ابعاد بزرگ خاکریز این مقدار نشست اضافی اهمیت چندانی نخواهد داشت.
شکل -4 توزیع تنش قائم - الف - و تغییر شکل قائم - ب - در روش ITM
