بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از روشهای مؤثر جهت غلبه بر بارهای سنگین و نشستهای زیاد در راهسازی و ابنیه فنی استفاده از پیهای سر شمع گسترده است. این پیها برای نگهداری سازههای مختلف نظیر ساختمانها، پلها و کارخانههای صنعتی بکار برده میشود و دارای مزیتهایی چون کاهش نشست و افزایش ظرفیت باربری میباشد. مکانیزم رفتار این پیها بدلیل اندرکنشهای همزمان شمعها سرشمع گسترده و خاک پیچیده میباشد.
در این پیها سرشمع به همراه شمعها به گونهای ترکیب میشوند که همزمان جهت تأمین ظرفیت باربری و کاهش نشست ایفای نقش نمایند، به همین دلیل محاسبه دقیق نسبت پخش بار بین اجزای این سیستم نقشی اساسی در طراحی ایمن و اقتصادی این گونه پیها ایفا میکند. در تحقیق حاضر جهت محاسبه نسبت پخش بار بین اجزای سیستم پی سرشمع گسترده، شبیه-سازیهای سه بعدی گوناگون در شرایط مختلف خاک و فونداسیون با بهرهگیری از نرمافزار FLAC3D انجام شده است. همچنین اثرات پارامترهای مختلف بر نسبت پخش بار بین اجزای مختلف این سیستم بررسی شده است. همچنین با بهرهگیری از این نتایج، مدلی جهت محاسبه ضریب اندرکنش ظرفیت باربری ارائه شده است.
1. مقدمه
یکی از موثرترین روشها در کاهش نشست سازهها و همچنین افزایش ظرفیت باربری رادیه، سیستم پی سرشمع گسترده میباشد. این سیستم به شالوده هیبرید یا پی سرشمع گسترده4معروف است. مفهوم پی سرشمع گسترده ابتدا در سال 1972 توسط پولوس و دیویس ارائه شد و سپس توسط محققینی مانندبرلند و همکاران [1]، کوک [2]، چاو [3]، تا و اسمال [4]،کیم و همکاران[5]، پولوس [6] و غیره شرح داده شده است.
این پیها برای نگهداری سازههای مختلف نظیر ساختمانها، پلها و کارخانههای صنعتی بکار برده میشود و دارای مزیتهایی چون کاهش نشست و افزایش ظرفیت باربری میباشد. به طور کلی مزایای استفاده از پیهای رادیه شمع نسبت به گروه شمع آزاد عبارتاند از:کاهش تعداد و طول شمعهای مورد، کاهش حداکثر نشست و نشستهای تفاضلی پیهای سطحی، بهبود سرویس پذیری، کاهش هزینه اقتصادی، افزایش باربری پی سطحی با توزیع بار بین رادیه و شمعها در این سیستم اندرکنشهای مختلفی وجود دارد.
این اندرکنشها عبارتاند از اندرکنش سرشمع و گروه شمع، اندرکنش سرشمع و خاک، اندرکنش شمع و خاک و اندرکنش شمعها با یکدیگر. محققین مختلف جهت بررسی مکانیزم سیستم پی سر شمع گسترده از روشهای گوناگونی استفاده نمودند: روشهای المان مرزی - مطالعه هاین و لی - [7] ، روش اجزاء محدود به صورت کرنش مسطح - مطالعه دسای - [8] یا تقارن محوری - مطالعه هوپر - [9]، مدلهای پیشرفته سه بعدی - مطالعات وان ایمپ و همکاران - [10] و همچنین مطالعه چاو - [11] ، ترکیب روشهای اجزاء محدود و المان مرزی - مطالعه هاین و لی - [7] و ترکیب روشهای لایه محدود و المان محدود.
.2 مطالعات انجام شده در زمینه محاسبه نسبت پخش بار در پی سرشمع گسترده
پولوس و داویس در سال 1980 با انجام مطالعاتی با استفاده از تئوری ماتریسها و استفاده از سختی خاک و مجوعه پی سرشمع گسترده رابطهای جهت محاسبه نسبت پخش بار بین اجزاء سیستم پی سرشمع گسترده ارائه کردند.[13] رندولف و ورث در سال 1978 جهت محاسبه نسبت پخش در سیستم پی سرشمع گسترده رابطهای ارائه کردند که در آن امکان افزایش خطی سختی برشی خاک در عمق نیز وجود دارد.[14] کلنسی و رندولف در سال 1996 رابطهای برای نسبت پخش بار در سیستم پی سرشمع گسترده براساس سختی سرشمع و شمع پیشنهاد کردند.
[15] لی و همکاران در سال 2014 رابطه بار-نشست را به صورت نمودارهای هذلولی نرمال شده براساس ظرفیت باربری نهایی سرشمع و عرض سرشمع ارائه نمودند و در نهایت با استفاده از دادههای نمودارها و اصلاح پارامترها رابطهای جهت نسبت باربری شمعها در سیستم پی سرشمع گسترده پیشنهاد کردند. لی و همکاران در سال 2015 در ادامه تحقیقات پیشین خود، با استفاده از شبیهسازی عددی در نرمافزار PLAXIS3D رابطهای جهت محاسبه ضریب اندرکنش ظرفیت باربری پیشنهاد کردند.
در ادامه این تحقیق، شبیهسازی سه بعدی پیهای سرشمع گسترده تحت شرایط مختلف خاک و فونداسیون با استفاده از نرم-افزار تفاضل محدود FLAC3D انجام شده و همچنین نسبت پخش بار بین اجزای سیستم پی سرشمع گسترده محاسبه می-گردد. در نهایت با استفاده از نتایج حاصله رابطهای با بهرهگیری از مفهوم برازش بهترین منحنی بر دادهها جهت محاسبه ضریب اندرکنش ظرفیت باربری ارائه میگردد.
.3 نرمافزار FLAC3D جهت شبیهسازی پی سرشمع گسترده
شبیه سازی عددی پیهای پی سرشمع-گسترده در نرمافزار FLAC3D انجام شده است. این نرمافزار سه بعدی براساس روش عددی تفاضلهای محدود بنا شده است و با استفاده از آن میتوان رفتار محیطهای ساخته شده از خاک، سنگ یا سایر مواد را به صورت سه بعدی شبیه سازی نمود. در این نرمافزار دستورات به صورت نوشتاری و توسط زبان برنامه نویسی FISH وارد میشود. به منظور شبیه سازی پی سرشمع-گسترده و خاک اطراف، از المانهای 8گرهای استفاده شده است.
رفتار سرشمع گسترده و شمعها به صورت الاستیک خطی در نظر گرفته شده و برای شبیه سازی رفتار خاک اطراف پی سرشمع-گسترده از مدل الاستو-پلاستیک مور-کولمب استفاده شده است. همچنین به منظور شبیه سازی اندرکنش بین خاک و شمعها، المان لایه واسطه با رفتار الاستیک مورد استفاده قرار گرفته است. با توجه به در نظر گرفتن سطح مقطع دایرهای برای شمعها، المان لایه واسطه در جدار شمع به صورت استوانهای و در نوک شمع به صورت دایرهای در نظر گرفته شده است. پارامترهای مقاومتی لایه واسطه نیز بر اساس انجام تستهای عددی بدست میآیند. بارهای اعمالی به صورت شرایط اعمال تنش اعمال شده است. تحلیل مدلها تا رسیدن مقدار نیروی نامتعادل در گرهها - Unbalance Force - به مقدار 1x10-5 ادامه مییابد که البته کمتر بودن این آستانه تحمل منجر به بالاتر رفتن زمان حل و افزایش دقت نتایج میگردد.
.4 اعتبارسنجی روش شبیهسازی پی سرشمع گسترده در نرمافزار FLAC3D
در این بخش ابتدا جهت اعتبارسنجی کد نوشته شده در برنامه FLAC3D عملکرد کد با نتایج آزمایشگاهی که توسط ونکاتشوارن و جیاپیریا[17] انجام شده بررسی میگردد. محققین جهت بررسی رفتار پی سرشمع گسترده از نمونههای آزمایشگاهی با چیدمانهای 1x1، 2x2 و 3x3 برای شمعها استفاده نمودهاند. در این تحقیق جهت اطمینان از صحت شبیهسازی عددی پی سرشمع گسترده تحت چیدمان 1*1 و همچنین جهت بررسی اثر اندرکنش بین شمعها تحت چیدمان 2*2 مدل شده است.
در شکل - - 1 مدلهای آزمایشگاهی که محققین استفاده نمودهاند و همچنین نحوه اعمال بار در آزمایشگاه نشان داده شده است. مشخصات خاک،شمعها و سرشمع گسترده درجدول - - 1 آورده شده است. محققین در مرجع مذکور از مدلسازی دو بعدی با روش المان محدود با استفاده از نرمافزار PLAXIS استفاده نمودند. در شکل - - 2 مدلهای شبیه سازیشده در نرمافزار FLAC3D آورده شده است. نمودارهای نشانداده شده در Error> Reference source not found. تا 0 حاکی از عملکرد خوب برنامه شبیهسازی و روش شبیه سازی عددی در برنامه FLAC3D میباشد.
