بخشی از مقاله
خلاصه
در میان روشهای تخمین تغییرمکان ماندگار سازههای خاکی، روش بلوک صلب نیومارک نسبت به سایر روشهای ژئوتکنیکی مورد توجه قرار گرفته است. اما به دلیل وجود برخی فرضیات از جمله ثابت در نظر گرفتن شتاب تسلیم در طول لغزش ممکن است تغییرمکان پبشبینی شده در این روش محافظهکارانه یا غیرمحافظهکارانه باشد. در تحقیق حاضر سعی بر آن شد که جهت اصلاح این فرضیه اثر شتاب تسلیم متغیر برای تعیین تغییرمکان لرزهای لحاظ گردد.
بدین منظور با به کارگیری نتایج آزمایش برش حلقه که بر روی خاکهای رسی انجام شده بود، شتاب بحرانی متغیر مورد محاسبه قرار گرفت. نتایج نشان داد که میانگین تغییرمکان های اصلاح شده که از متغیر در نظر گرفتن شتاب تسلیم بدست آمده نسبت به میانگین جابجاییها نیومارک، حاصل از شتاب تسلیم ثابت، دارای مقادیر بیشتری است و هرچه مقادیر شتاب تسلیم کمتر باشد این اختلاف در تغییرمکان بیشتر مشهود است.
1. مقدمه
در سالهای اخیر بحث طراحی لرزهای سازههای ژئوتکنیکی و تغییرمکان ماندگار این سازه ها، مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. از آنجایی که یکی از اثرات زلزله، ناپایدار ساختن شیبهای طبیعی - خاکی یا سنگی - و خاکریزها و ایجاد زمینلغزه در آنها است، از اینرو پایداری شیبها یکی از دغدغههای مهندسین ژئوتکنیک میباشد. برای محاسبهی تغییرمکان ماندگار این سازه ها روشهای تحلیلی و نیمه تحلیلی و عددی مختلفی توسط محققین ارائه شده است. روشهای تحلیلی و نیمه تحلیلی در مقایسه با روشهای عددی به دلیل سادگی و پیشبینی نسبتاً قابل قبول، پرکاربردتر میباشند.
نیومارک [1] مدل بلوک لغزنده را به عنوان اولین روش تحلیلی جهت پیشبینی تغییرمکان ماندگار شیبها پیشنهاد نمود که به علت ساده و کارآمد بودن این روش، مورد استقبال بسیاری از مهندسین قرار گرفت. در طول سالهای بعد روشهای دیگری جهت اصلاح مدل بلوک صلب توسط محققین دیگر ارائه شد
در مطالعه حاضر سعی بر آن شد تا در جهت اصلاح روش بلوک صلب، در ابتدا به توضیح مختصری از روش بلوک نیومارک و فرضیات آن پرداخته شود و سپس با استناد بر این موضوع که برخلاف فرضیات روش نیومارک، مقاومت خاک در واقعیت ثابت نیست، با استفاده از نتایج حاصل از آزمایش برش حلقه به مساله تغییرات مقاومت خاک و در نتیجه تغییرات شتاب تسلیم در طی لغزش پرداخته شده و با کمک مجموعه وسیعی از شتابنگاشت های موجود، اثر شتاب تسلیم متغیر در تخمین تغییرمکان لرزهای در برابر تغییرمکان حاصل از روش نیومارک مورد مقایسه قرار گیرد و در نتیجه نتایج دقیق تری حاصل گردد.
2. پیشینه تحقیق
نیومارک - 1965 - با ارائه مدل بلوک لغزنده یک روش ساده جهت محاسبه تغییرمکان ماندگار شیبهای خاکی تحت بار زلزله ارائه نمود. در این روش، توده لغزنده به عنوان یک بلوک صلب فرض میشود. بر این اساس،حرکت بلوک صلب زمانی آغاز میگردد که شتاب گسیختگی - تسلیم - کمتر از شتاب ورودی باشد.
مکدیسی و سید[4] روشی را پیشنهاد نمودند که در آن پاسخ لرزهای خاکریز و لغزش بلوک به صورت غیروابسته فرض شده است. آنها از شتابهای معادل اعمال شده به بلوک که از پاسخ خاکریز به دست میآمد، به جای موج ورودی در روش نیومارک استفاده نمودند.
چوپرا و ژنگ[5] با استفاده از یک سیستم یک درجه آزادی با جرم و توزیع الاستیک در امتداد ارتفاع سد، نتایج حاصل از روش های وابسته و غیروابسته را مورد ارزیابی قرار دادند و دریافتند که در مقادیر کم - k y / k آنالیز غیروابسته تغییرمکان بیشتری نسبت به روش وابسته ایجاد میکند و این روند در مقادیر بالای - - k y / k max کاملا معکوس است.
راذجه و بری[6] با استفاده از روش چوپرا و ژنگ[5] به بررسی و اصلاح روش بلوک صلب غیروابسته و وابسته پرداختند و بیان کردند که تحلیل غیروابسته در نسبت پریود - - Ts / T m بزرگتر از یک، تغییرمکان را محافظهکارانه پیشبینی میکند. آنها در ادامه کارهای قبلی خود - راذجه و بری - [6] با به کارگیری سیستم چند درجه آزادیی، عملکرد غیرخطی تحلیل غیروابسته و وابسته را برای این سیستم انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که تحلیل غیرخطی محاسبه شده به وسیله لغزش تاثیر قابل توجهی در پریودهای کوچک دارد
بری و تراواسارو[8] با استفاده از یک پایگاه اطلاعاتی جامع شامل 688 رکورد ثبت شده از زمین لرزه، به ارائه یک رابطه نیمه تجربی جهت تخمین تغییرمکان ماندگار شیب های خاکی پرداختند که تاثیر اولیهی ضریب گسیختگی - - k y ، پریود اساسی اولیه - - Ts و شتاب طیفی زلزله در پریودی برابر - - 1.5Ts را مشخص میکند. راذجه و سیگیلی[9] روشی کاملا احتمالاتی - اسکالر/ برداری - جهت ارزیابی تغییرمکان بلوک لغزنده ارائه داده و به این نتیجه دست یافتند که روش برداری در مقایسه با روش اسکالر به علت کاهش تغییرات در پیشبینی تغییرمکان، خطر جابجایی را به طور قابل توجهی کاهش میدهد.
استرنک و وارتمن[10] با استفاده از شبیهسازی مونت کارلو برای دو شیب دلخواه به بررسی اینکه چگونه تغییر در نیروهای محرک و مقاوم موجب عدم قطعیت در تغییرمکان لرزهای شیبها میگردد، پرداختند. نتایج نشان دهنده ی یک رابطه غیرخطی بین نسبت شتاب-جابجایی بود که بر مبنای این مشاهده سه محدوده با توجه به درجه نسبی غیرخطی آنها و تاثیر نسبی آنها بر عدم قطعیت تغییرمکان پیشبینی شده، مشخص گردید.
بازیار و همکاران[11] با اصلاح تحلیل غیروابسته، اثر دوران را در این تحلیل لحاظ نمودند و این نتیجه حاصل گشت که اثر دوران در نسبت پریودهای بلند، نسبت های شتاب گسیختگی کوچک و طول گسیختگیهای کوچک مشهودتر است.
لشگری و جعفریان[12] به اصلاح اثر دوران در روش نیومارک، وابسته و غیر وابسته پرداخته که مشخص شد در نظر گرفتن دوران باعث کاهش تغییر مکان میشود و در برخی نسبت پریودها تغییرمکان حاصل از تحلیل غیر وابسته اصلاح شده کمتر از تحلیل وابسته میباشد.
3. روش بلوک صلب نیومارک
نیومارک در سمینار رانکین سال - 1965 - پیشنهاد کرد که پایداری لرزهای و تغییرشکل شیبها، سدها و خاکریزها تحت اثر زلزله بررسی شود. برای این منظور پیشنهاد کرد که توده لغزش به صورت یک بلوک صلب بر روی سطح شیبدار فرض شود. حرکت توده لغزش زمانی آغاز میشود که شتاب وارده به تودهی لغزنده توسط زمینلرزه، بزرگتر از شتاب بحرانی - تسلیم - توده لغزش گردد. این حرکت تا زمانی ادامه پیدا میکند که شتاب سرعت بلوک صفر شود. نیومارک از این مدل جهت تغییرشکل دائمی یک شیب تحت اثر حرکات زمین استفاده کرده است. وی تاثیر زلزله را به صورت مولفه افقی شتاب که ضریبی از شتاب گرانش است، بیان نمود . ay - t - k y - t - .g شتاب گسیختگی حداقل، یک مقدار شتاب شبه استاتیکی است که موجب ناپایداری بلوک خواهد شد. برای بلوک در حالت لغزش در جهت شیب چنین خواهیم داشت:
که زاویه اصطکاک بین بلوک و سطح شیبدار و زاویهی سطح شیبدار است. با محاسبه شتاب نسبی بلوک بعد از آغاز لغزش و انتگرالگیری میتوان سرعت نسبی بلوک و سپس با انتگرال گیری از سرعت نسبی بلوک، میزان جابجایی بلوک را محاسبه نمود. در شکل - 1 - چگونگی محاسبه تغییرمکان به روش بلوک صلب نیومارک نشان داده شده است.
شکل - 1 افزایش تغییرمکان ماندگار یک شیروانی تحت اثر زلزله: الف - شتابهای ورودی زلزله با شتاب گسیختگی 0/2g؛ ب - سرعت نسبی حاصل از انتگرالگیری از شتاب نسبی؛ ج - جابجایی حاصل از انتگرالگیری از سرعت نسبی.
از جمله فرضیات این روش موارد ذیل هستند:
فرض صلب بودن تودهی لغزش است، در صورتی که در واقعیت تودهی لغزش انعطافپذیر میباشد. میتوان با تمهیداتی این ایراد را برطرف نمود.
ضریب گسیختگی پارامتر مهمی در تخمین تغییر مکان شیب ها تحت اثر زلزله میباشد. در اکثر مطالعات روشهای متفاوتی جهت تعیین این پارامتر عنوان شده است. تخمین مناسبی از این پارامتر دقت محاسبات را افزایش میدهد.
اکثر روابطی که در این زمینه پیشنهاد شده است، بر پایه تحلیل همبستگی و به صورت تجربی میباشد. میتوان با افزایش شتاب نگاشتهای ورودی، اثر پارامترهای بیشتری را مورد بررسی قرار داده و انحراف معیار را کاهش داد.
مقاومت خاک در طول تحلیل ثابت فرض میشود، در صورتی که در واقعیت مقاومت خاک کاهش مییابد. میتوان با فرضیاتی این ایراد را برطرف نمود.
توسعه مدل های احتمالاتی و بررسی عدم قطعیت پارامترهای مورد استفاده در این روش ها.
4. اثر شتاب تسلیم متغیر
از آنجایی که مدل های تجربی جهت تعیین تغییرمکان ماندگار شیبها که توسط محققین پیشین ارائه شده بر مبنای یک شتاب تسلیم ثابت بوده است که نوعی عدم قطعیت میباشد، درنتیجه در این مطالعه تلاش بر این شد که اثر شتاب تسلیم k y به صورت متغیر بر جابجایی در نظر گرفته شود.
مطابق اسکمپتون[13] که مفهوم مقاومت باقیمانده برای آنالیز پایداری شیب در حالت دراز مدت راارائه داد، مقاومت برشی موادی که جابجایی برشی نسبتاً بزرگی را روی صفحهی لغزنده تجربه کردند، به مقاومت باقیمانده کاهش خواهد یافت. در چنین مواردی مناسبترین کار این است که در هنگام آنالیز گسیختگی شیبها مفهوم مقاومت باقیمانده را مدنظر داشته باشیم. ابزارهای آزمایش برش حلقه میتواند برای به دست آوردن مقاومت باقیمانده روی سطح شیبدار تحت یک کرنش بزرگ مورد استفاده قرار گیرند.
دستگاه برش حلقه این مزیت را دارد که مقاومت باقیمانده ی خاک را تحت جابجایی بزرگ، در همان جهت و بدون هیچگونه تغییری در ناحیهی برش مقطع دریافت کند. نتایج آزمایشگاهی استفاده شده در این بخش توسط راج بیهات[14] و میهان[15] با استفاده از دستگاه برش حلقه برومهید انجام شده است.
به منظور اندازهگیری مقاومت باقیمانده ی زهکشی شده بر روی نمونههای رسی کائولین، خلیج سن فرانکیسکو و رانچو سولانو چندین آزمایش برش حلقه بر روی نمونههای رسی توسط این محققین انجام گرفت. تنش نرمالهای اعمالی بر روی نمونه ها برابر 7/5، 14/2، 14/6، 28/8، 50/1 و 85/6 psi بوده است
