بخشی از مقاله
خلاصه
در مسائلی که شکل هندسی، بارگذاری و خواص ماده در آنها پیچیده یا مختلط است، نمیتوان حل تحلیلی ریاضی مشخصی را ارائه نمود. حلهای تحلیلی آنهایی هستند که توسط عبارت ریاضی خاصی مشخص شده و میتوان مقدار کمیت مجهول مورد نظر را در هر نقطهای از جسم - که دراین جا میتواند کل سازه و یا سیستم فیزیکی موردعلاقه باشد - توسط آنها پیدا نموده و درنتیجه در کلیهی نقاط جسم معتبر خواهند بود.
حلهای تحلیلییاد شده عموماً بر پایه ی حل یک معادلهی دیفرانسیل معمولی یا جزئی استوار بوده که اغلب به دلیل پیچیده بودن شکل هندسی، بارگذاری و خواص مواد، دسترسی به آنها امکانپذیر نیست. بنابراین نیاز است تا به منظور دستیابی به جوابهای قابل قبول به روشهای عددی از جمله روش اجزاء محدود تکیه نمود. روش اجزاء محدود روشی عددی است که از طریق آن میتوان مسائل مهندسی و ریاضی فیزیک را حل نمود.
با توجه به کابردهای متنوع غلتک ارتعاشی، نیاز به روشهای عددی و همانندسازی توسط نرمافزارهای مربوطه برای ارائهی نتایجی که با روشهای تجربی قابل دستیابی نیستندمثلاً - پارامترهای دینامیکی خاک همانند عمق بهبودیافته، جرم مرتعششده، ضریب میرایی و سختی استاتیکی خاک - به چشم میخورد. در این مقاله جهت حصول پارامترهای دینامیکی خاکهای ماسهای در تراکم توسط غلتک ارتعاشی 8 تنی، ابتدا سیستم خاک و غلتک در نرمافزار اجزاء محدود آباکوس مدلسازی و سپس از طریق روابط آزمایش وک، به محاسبهی پارامترهای دینامیکی خاک پرداخته شده است.
کلمات کلیدی: غلتک ارتعاشی 8 تنی، تراکم خاکهای ماسهای، پارامترهای دینامیکی، نرمافزار آباکوس، آزمایش وک.
مقدمه
تراکم عبارت است از ازدیاد دانسیتهی خاک ازطریق نزدیک کردن ذرات و دانههای خاک به یکدیگر که معمولاً با خارج کردن هوا از فضاهای خالی بین ذرات خاک انجام میگیرد؛ بهعبارت دیگر تراکم یعنی چگالش خاک با خارج ساختن هوا که خود مستلزم صرف انرژی مکانیکی است. درجهی تراکم خاک برحسب وزن مخصوص خشک آن اندازهگیری میشود. تراکم باعث افزایش خصوصیات مقاومتی خاک میشود که به نوبهی خود ظرفیت باربری پیهای روی خاک را افزایش میدهد.
در جایی که خاک زیرین در معرض تراکم ارتعاشی قرار گرفته، لازم است عمق تأثیر برآورد گردد. توجیه آن نیز استفاده از تراکم ارتعاشی برای دستیابی به متراکمسازی معنادار خاک، تا عمقهایی بیشتر از آنچه به طور معمول میتوان با تجهیزات تراکم سنتی - متراکمکنندههای ایستایی و یا ارتعاشی - به آن دست یافت، میباشد.
تعاریف نظری
عمق تأثیر را به عنوان عمقی تعریف میکنند که تا آن عمق تراکم ارتعاشی موجب اصلاح در ویژگیهای مکانیکی یک خاک معین میگردد. روش FEM - المان محدود - ، روشی عددی است که از طریق آن میتوان مسائل مهندسی و ریاضی فیزیک را حل نمود. این روش به جای نیاز به حل معادلات دیفرانسیلی، منجر به حل مسئله از طریق سیستمی از معادلات همزمان جبری میشود. چنین روشی مقادیر تقریبی مجهولات را در نقاط مجزایی از محیط پیوسته به صورت عددی محاسبه میکند.
مدت زمان ارتعاش بهینهی غلتک ارتعاشی عبارت از مدت زمانی است که از آن پس، خاک به حداکثر مقاومت - سختی - خود رسیده باشد. جرم مرتعش شده جرم خاکی است که در عمل تراکم در اثر نیروی ارتعاش غلتک، مرتعش میشود.ضریب میرایی در خاک نسبت میرایی واقعی به میرایی بحرانی در نظر گرفته میشود. میرایی خاصیتی است که باعث کاهش دامنهی نوسان در سیستمهای نوسانی میشود.سختی استاتیکی خاک در یک تعریف کلی عبارت است از مقاومت خاک در مقابل جابهجایی و فروریختن که عمدتاً به آرایش خاک و جنس مصالح به کار رفته بستگی دارد.
تعاریف عملی
در جایی که خاک زیرین در معرض تراکم ارتعاشی قرار گرفته، لازم است عمق تأثیر برآورد گردد تا عمق آخرین سطح خاک متراکم و اصلاح شده تعیین شود.سختی خاک مورد نظر پس از تراکم را میتوان از طریق روشهای اجزاء محدود محاسبه کرد.هنگام انجام عمل تراکم، مدت ارتعاش بهینهی غلتک باید محاسبه شود چرا که این عمل مانع از ارتعاشات اضافی غلتک و در نتیجه کاهش وقت و هزینهها میگردد.با توجه به مقدار جرم و حجم خاک مرتعش شدهی زیر غلتک، میتوان عمق تأثیر خاک را به دست آورد. ضریب میرایی چگونگی تحلیل یک سیستم نوسانگر را تعیین میکند.محاسبهی سختی خاک برای پی بردن به حداکثر مقاومت خاک پس از تراکم ضرورت دارد.
روش عددی؛ نرمافزار اجزاء محدود آباکوس
آباکوس یک مجموعه از برنامههای مدلسازی بسیار توانمند میباشدکه مبتنی بر روش اجزاء محدود، قابلیت حل مسائل از یک تحلیل خطی ساده تا پیچیدهترین مدلسازی غیرخطی را دارا میباشد. این نرمافزار دارای مجموعه المانهای بسیار گستردهای میباشدکه هر نوع هندسهای را میتوان به صورت مجازی توسط این المانها مدل کرد. همچنین دارای مدلهای مواد مهندسی بسیار زیادی است که در مدلسازی انواع مواد با خواص و رفتار گوناگون نظیر فلزات، لاستیکها، پلیمرها، کامپوزیتها، بتن تقویت شده، فومهای فنری و نیز شکننده و همچنین مواد موجود در زمین نظیر خاک و سنگ، قابلیت بالایی را ممکن میسازد.
در روش اجزاء محدود میبایست هندسهی قطعات تعریف و سپس قطعات برهمنهی شوند. با مشبندی هر قطعه به صورت مستقل و یا مجموعهی قطعات با یکدیگر می توان نقاط موردنظر برای دریافت خروجی از هندسهی مسئله را مشخص نمود. برای حل مسئله میبایست مشخصات هر المان به آن اختصاص داده شود تا به هنگام بارگذاری بتواند رفتار صحیح از خود نشان دهد. نوع تحلیل نیز برای نرمافزار مشخص میگردد تا پارامترهای مورد نیاز تحلیل مربوطه را از کاربر تقاضا نماید. پس از درخواست خروجیهای موردنظر از نرمافزار، اعمال شرایط مرزی، اعمال اندرکنش بین قطعات و بارگذاری، میتوان مدل را برای تحلیل آمادهسازی نمود؛ کارهای انجام شده تا این مرحله را پیش پردازش مینامند.
پس از آن اجرای مسئله یا مرحله ی پردازش انجام میشود و در آن تمام شرایط فوق، اعمال شده و مسئله حل میشود. از این پس مرحلهی مشاهدهی نتایج فرا میرسد که به این مرحله پس پردازش میگویند.توسط همانند سازی با نرمافزار آباکوس، ارتعاشات غلتک ارتعاشی بر خاکهای ماسهای متراکم، نیمه متراکم و سست مدل میشود و سیگنال-های تنش، نیرو و سرعت بر سطح خاک ماسهای به دست میآید. سپس با نوشتن برنامهی متلب برای خاکهای ماسهای تحت اثر غلتک ارتعاشی، این سیگنالها به عنوان سیگنال ورودی برنامه، وارد یک مدل ریاضی تحلیلی - مدل وک - گشته و پارامترهای دینامیکی خاکهای ماسهای را به دست میدهد.که عبارتند از: سختی استاتیکی، جرم ارتعاش یافته و ضریب میرایی.
روش تحلیلی؛ تئوری آزمایش وک
آزمایش به گونهای که توسط بریاود و لپرت4 در سال 1990 و مکسول و بریاود 5 در سال 1991 و اسچیرهارت و بریاود6 در سال 1992 توصیف شده است شامل به کاربردن یک ضربه در نزدیکی مرکز پی بتنی با استفاده از یک چکش اهرمی پلاستیکی همراه یک مبدل نیرو است. ضربه باعث میشود پی و حباب خاک زیر آن مرتعش گردد. آزمایش وک از موارد زیر تشکیل میشود:دوعدد ژئوفون که در دو انتهای متقارن متقابل به هم از جرم قرارگرفتهاند.جرمی که تحت ضربهی یک پتک - که نوکی نرم دارد و توسط یک سلول بار دینامیکی تجهیز شده - قرارگرفته است.
سیگنال نیرو زمان که از چکش - ورودی - همانند میانگین سرعتهای مشخص شده با ژئوفونهای روی جرم - پاسخ - ثبت میشود.مدول تابع انتقال محاسبه میشود؛ به بیان ساده این مدول، نسبت تبدیل فوریه سرعت به تبدیل فوریه سیگنال نیرو است.سختی استاتیکی سیستم جرم خاک محاسبه شده از بخش آغازی رسم که از تابع انتقال یا روند کامل درونیابی آن منحنی به دست آمده است.به علاوه این روش اجازه میدهد که ثابت میرایی داخلی ، جرم پی و خاک مرتعش شده همراه آن محاسبه گردد. فراگیری و تحلیل دادهها توسط نرم افزاری که روی یک کامپیوتر قابل حمل بارگذاری میشود کنترل میگردد.
