بخشی از مقاله
خلاصه
بررسی اندرکنش خاک و شالوده از مسایل مهم مهندسی ژئوتکنیک بوده که به مطالعه رفتار خاک در برابر بارهای جانبی منجر خواهد شد. مدل وینکلر اولین و ساده ترین روش برای در نظر گرفتن اندرکنش خاک و شالوده میباشد.در این مدل خاک بوسیله مجموعه ای از فنرهای مستقل با یک ضریب سختی مشخص به نام ضریب عکس العمل بستر جایگزین میشوند. تاکنون روشهای مختلفی برای تخمین این ضریب توسط محققان ارایه شده، در این تحقیق سعی شده است با انتخاب یک مورد از خصوصیات زمین که در شهر بندرعباس عمومیت داشته، مقایسه ای بین فرمولهای تجربی ارایه شده برای تعیین ضریب عکس العمل بستر با مقادیر متناظر حاصل از مدلهای رفتاری در تحلیل المان محدود توسط نرم افزار plaxis انجام شود که نتایج حاکی از آن است که روش تجربی ارایه شده توسط Biot بیشترین تطابق را با نتایج عددی برای عرضهای مختلف پی دارد.
کلمات کلیدی: ضریب عکس العمل بستر،ضریب الاستیسیته،روش المان محدود،پی گسترده،مدل وینکلر
1.مقدمه
استفاده از پی گسترده به گذشته های بسیار دور باز میگردد، و این نوع پی عملکرد بسیار خوبی در انتقال نیروهای سازه به زمین نشان داده است. به همین دلیل استفاده از پی گسترده بسیار متداول است. در حال حاضر در بیشتر مواقع برای تحلیل پیهای گسترده انعطاف پذیر از یک مقدار ثابت ضریب عکس العمل بستر که از آزمایشهای ژئوتکنیک مثل بارگذاری صفحهای به دست میآید، استفاده میشود. در رابطه با تعیین نشست خاکها و نیز ضریب عکس العمل بستر خاک با استفاده از آزمایش بارگذاری صفحه افراد بسیاری کار کرده اند از جمله مهمترین این محققان میتوان از [1]Terzaghi - 1955 - ، [2] Bond - 1961 - ، [3] Bjerrum and Eggestad - 1963 - ، [4] Parry - 1978 - و [5] Arnold - 1980 - نام برد.
استفاده از ضریب عکس العمل یکنواخت در سرتاسر پی، به معنای عدم در نظر گرفتن شرایط یک محیط پیوسته برای خاک میباشد. این بدان معنی است که از اثر برش در لایه های خاک صرفنظر شده است. یکی از مسائل اساسی در طرح و محاسبه پیها مسئله عملکرد متقابل - یا اندرکنش - خاک و شالوده است. برای بررسی این مسئله، مطالعه رفتار خاک در برابر بارهای خارجی دارای اهمیت زیادی است. رفتار خاک تابع عوامل بسیار زیادی مانند درصد رطوبت، چگالی، نوع کانیهای تشکیل دهنده ذرات، اندازه دانهها، شکل دانهها، منحنی دانهبندی، وضعیت فعلی تنش، تاریخچه تنش - وضعیت تنش در گذشته - ، فشار منفذی، درجه اشباع، میزان نفوذپذیری، زمان و دما میباشد و به همین دلیل ارائه مدلی که در برگیرنده اثر تمام عوامل باشد، بسیار پیچیده و دشوار است.
از این رو در حل مسائل مربوط به اندرکنش خاک و شالوده، از اثر پاره ای از ویژگیهای خاک که اهمیت کمتری دارند صرفنظر شده و به این ترتیب مدل ساده شده ای بدست می آید که دارای پارامترهای کمتری میباشد. از آنجا که خاک در مقیاس بزرگ - ماکروسکوپی - یک محیط پیوسته می باشد، ساده ترین حالت ممکنه آن است که خاک را یک نیم فضای الاستیک، خطی، همگن و همسان در نظر بگیریم. در این حالت خاک دارای دو پارامتر ضریب پواسون و مدول الاستیسیته خواهد بود. اولین و ساده ترین مدل برای بررسی اندرکنش خاک و شالوده، مدلی است که در سال 1867 توسط وینکلر - Winkler - ارائه شده است. در این مدل تغییر شکل هر نقطه از بستر خاکی متناسب با مقدار تنش در همان نقطه فرض میشود و اثر تنشها و تغییر مکانهای نقاط دیگر نادیده گرفته شده و خاک بوسیله مجموعه ای از فنرهای مستقل با یک ضریب سختی مشخص جایگزین میشوند.
بنابراین در اینجا تنها یک پارامتر برای خاک مد نظر بوده که ضریب عکس العمل - ks - نامیده می شود. ضریب عکس العمل خاک همانند ضرائب الاستیک E - ، - یک خاصیت ذاتی برای خاک نیست بطوریکه این ضریب تنها به خصوصیات خود خاک بستگی ندارد، بلکه عواملی مختلفی همچون نوع خاک، ابعاد، نوع و عمق پی نیز بستگی دارد .[6] در نتیجه برای تعیین این پارامتر توصیه های بسیار متنوعی توسط محققان مختلف ارائه شده و در مورد نحوه تعیین ks برای یک مسئله مشخص روابط مختلفی ارائه شده است. از این رو در این تحقیق سعی شده است با انتخاب یک مورد خصوصیات زمین که در شهر بندرعباس عمومیت داشته، مقایسه ای بین روابط ارائه شده برای تعیین ضریب عکس العمل بستر از طریق مقادیر متناظر حاصل از مدلهای رفتاری در تحلیل المان محدود با استفاده از نرم افزار plaxis انجام گیرد.
2. روشهای تجربی ضریب عکس العمل بستر
در حالت عمومی میتوان ks را از روشهایی همچون آزمایش بارگذاری صفحه ، آزمایش تحکیم ، آزمایش سه محوری ، آزمایش CBR و روابط تجربی و تئوریک ارایه شده توسط محققان بدست آورد. از بین این موارد، روش آزمایش بارگذاری صفحه و روش تجربی بیشتر از بقیه کاربرد داشته و در این مقاله روش تجربی و تئوریک مد نظر می باشد. روابط تجربی متعددی از جمله روابط Biot , Vesic , Bowles و روابط حاصل ار تئوری الاستیسیته نیز برای تعیین ضریب عکس العمل بستر معرفی شده اند.Biot در سال 1937 مسئله یک تیر نامحدود در بستر الاستیک خطی را حل نمود و رابطه زیر را برای بدست آوردن ضریب عکس العمل بستر پیشنهاد نمود .[7]که B عرض پی، v نسبت پواسون، Es مدول الاستیسیته خاک، EI صلبیت خمشی می باشد.
Vesic در سال 1961 کار Biot را توسعه داد و توانست برای مسائل ساده رابطه ی بین K و خواص الاستیک خاک را مطابق فرمول پیشنهادی زیر تعیین کند .[8]در این رابطه مشخص گردید که خطاهای ناشی از تفاوتهای واقعی در روش وینکلر و روش محیط های پیوسته عموماً کمتر از 10 درصد است. Bowles در سال 1982 نشان داد که مقدار عددی عبارت E B4 12 را در شرایط معمولی، میتوان تقریباً برابر یک گرفت و برای اکثر حالتها،مقدار ضریب عکس العمل بستر را از رابطه زیر میتوان تعیین نمود .[9]با استفاده از تئوری الاستیسیته نیز تخمین k توصیه شده است. از بازنویسی رابطه تعیین نشست الاستیک در شالوده های مستطیلی رابطه زیر برای k حاصل میشود .[9]
که در آن Es مدول الاستیسیته خاک، s نسبت پواسون، B حداقل بعد جانبی شالوده Is ,If ضرایب تاثیر، که مقدار آنها بر اساس جداول و نمودارهای موجود در بخش نشست الاستیک مراجع مکانیک خاک پایه تعیین میشود و m نشان دهنده ضریبی است که مقادیر آن برای گوشه، لبه و مرکز به ترتیب مساوی 1، 2 و 4 میباشد. کافیست K گوشه را با ضریب m=1 از فرمول فوق محاسبه و در 0/5 ضرب تا K لبه و در 0/25 ضرب تا K مرکز بدست آید. با توجه به مطالب ذکر شده مشاهده میگردد که روابط بسیار زیادی برای تعیین ضریب عکس العمل بستر خاک تعیین شده است.
3. مشخصات مهندسی زمین
زمین مورد نظر در غرب شهر بندرعباس واقع شده است که در نظر است یک ساختمان 8 طبقه - 7 طبقه روی همکف - با کاربری تجاری مسکونی در آن احداث گردد. عمق استقرار پی معادل ارتفاع شالوده و برابر یک متر میباشد و تا پایان عمق حفاری تراز آب زیر زمینی مشاهده نگردیده است. به منظور شناسایی لایه های تحت الارضی حفر 5 حلقه گمانه 3 - حلقه گمانه 15 متری و 2 حلقه گمانه 20 متری - با استفاده از دستگاه حفاری Rotary انجام گرفته و در حین حفر گمانه نمونه هایی جهت انجام آزمایشات آزمایشگاهی اخذ گردیده است. بعد از اتمام عملیات صحرائی، بر روی نمونه های اخذ شده آزمایشهای دانه بندی، تعیین حدود اتربرگ، تعیین درصد رطوبت طبیعی خاک و آزمایش برش مستقیم بعمل آمده است.
بررسی های انجام یافته روی لایه های خاک محل نشان می دهد که جنس خاک در بستر پی از سطح زمین تا عمق 8متری عمدتاً از نوع ماسه سیلتی - SM - و از عمق 8 متر به بعد ماسه بددانه بندی شده - SP - می باشد.با توجه به آزمایشات صحرایی و آزمایشگاهی صورت گرفته و در جهت تعیین میزان نشست و ظرفیت باربری خاک محل، پارامترهای لازم از مجموع پنج گمانه حفاری شده به شرح جدول 1 انتخاب گردیده است. از آنجائیکه اطلاعات حاصل از نمونه برداری تا عمق 20 متری در دست است، جنس مشخصات خاک تا عمق تاثیر شالوده با توجه به اطلاعات محلی همانند لایه 10 فرض شده و تا عمق 30 متری بسط داده شده است. وزن مخصوص خاک نیز در عمق 20 تا 30 متری - لایه - 11 ثابت فرض شده است.
4.مدل سازی عددی
جهت مدلسازی به روش اجزا محدود از المان های مثلثی 15 گره ای استفاده شده و شرایط مرزی در کناره های محیط به صورت تغییر شکلهای محدود در جهت افقی و آزاد در جهت قائم و تغییر شکلهای محدود هم در جهت افقی و هم در جهت قائم در مرز پایینی تعریف شده است. در مدل ایجاد شده
