مقاله رفتار لرزه ای سدهای خاکی در سطوح مختلف لرزه ای

بخشی از مقاله

چکیده
تحلیل دینامیکی سدهای خاکی به عنوان سازه های خاص با توجه به خطر لرزه خیزی بالا در ایران و وقوع مکرر زلزله های مخرب و ویرانگر از اهمیت قابل توجهی برخوردار است چراکه آسیب و تخریب یک سد تلفات مالی وجانی هنگفتی را به دنبال خواهد داشت. به طور کلی شتاب نگاشت زلزله های ثبت شده در یک سایت با توجه به شرایط متفاوت از قبیل بزرگی زلزله، نوع گسلش، جهت انتشار گسیختگی و موقعیت قرارگیری سایت نسبت به گسل و چشمه مولد زلزله و در نهایت مشخصات ساختگاه، تفاوتهای زیادی در ویژگیهایی مانند شدت، مدت دوام و محتوای فرکانسی دارند . این تفاوتها منجر به طبقه بندی زلزله های مختلف به دو گروه حوزه نزدیک گسل - پالس مانند - و حوزه دور از گسل - معمولی - گردیده است.

شناخت زلزله های حوزه نزدیک و بررسی ویژگی های اینگونه زلزله ها و اثرات آنها بر روی سدهای خاکی از جمله مطالعات نوین محسوب می شود. از طرف دیگر با توجه به گسترش ساخت سدهای نوین خاکی / سنگریزه ای با هسته بتن آسفالتی به دلیل برخوردار بودن مزایای بالاتر نسبت به سدهای متعارف، .تحلیل رفتار لرزه ای سدهای خاکی /سنگریزه ای با هسته بتن آسفالتی تحت اثر زلزله های حوزه نزدیک از اهمیت بسزایی برخوردار است. در تحقیق حاضر با استفاده از تکنیک اجزای محدود plaxis رفتاری سخت شوندگی برای مصالح خاکی سد توسط نرم افزار و با اعمال شتابنگاشتهای حوزه نزدیک و حوزه دور انجام می گردد، و سپس نتایج حاصله با یکدیگر مقایسه و مورد تجزیه و تحلیل قرار خواهد گرفت.

کلمات کلیدی: سدهای خاکی، تحلیل دینامیکی، روش اجزای محدود، سطوح لرزه ای

.1 مقدمه

بررسی دقیق تأثیر زمین لرزه بر رفتار سدهای خاکی از جمله مسائل بسیار پیچیده مهندسی است بطوریکه، همزمان پارامترهای مؤثر زیادی عملکرد سدهای خاکی را در برخورد با زلزله تحت تأثیر خود قرار میدهند. عمومأ دو روش متفاوت جهت ارزیابی پایداری و عملکرد سدهای خاکی و سنگریز در زمان زلزله مورد استفاده قرار میگیرد. این روشها در اغلب موارد مکمل یکدیگر بوده، و ارزیابی نهایی بر اساس مجموع نتایج حاصل از آنها صورت میپذیرد. روش اول که از سابقه بیشتری برخوردار بوده و امروزه در طراحی سدهای خاکی و سنگریز کاربرد فراوان یافته، روش شبه استاتیکی است. این روش، قدیمیترین و آسانترین روش تحلیل پایداری سدهای خاکی در مقابل زلزله است که توسط ترزاقی در سال 1950 بنیان گذاری شد و هنوز هم در طراحی سدهای خاکی کاربرد دارد.

روش دوم نیز استفاده از تحلیلهای دینامیکی است که با بهکارگیری روشهای تحلیل عددی، نظیر اجزاء محدود و یا روش تفاضلهای محدود انجام میگیرد، ودر صورت امکانِ دسترسی به اطلاعات کافی از رفتار دینامیکی خاک، بالطبع نتایج واقع بینانهتری را از پاسخ لرزهای سد بهدست خواهد داد. طرح لرزهای یک سد، میتواند برای سطوح مختلفی از زلزله انجام شود. در واقع هرچه که دوره بازگشت زلزله بزرگتر باشد احتمال وقوع آن در طول مدت عمر سد کمتر و در عین حال مخربتر خواهد بود.معمولاٌ طول عمر سدها بین 50 تا 100 سال درنظر گرفته میشود. انتخاب طول عمر سد و درصد احتمال وقوعزلزله اصولاً تابعی از درجه اهمیت سد، اقتصاد طرح و تبعات اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی است که در صورت آسیب آن در زلزله انتظار میرود.

تصمیمگیری در این خصوص بر عهده دست اندرکاران طرح از قبیل سرمایه گذار، کارفرما و مشاور صورت خواهد گرفت.نتایج مهمی از آنالیز شبه استاتیکی توسط سید در سال 1979 بیان و بحث شد. اول آنکه نیروهای اینرسی بصورت دائم و در یک جهت عمل نمی کنند، بلکه دارای تناوب سریع هم در مقدار و هم در جهت خود هستند. بنابراین حتی وقوع ضریب اطمینان کمتر از واحد ، ضرورتا منجر به گسیختگی در بدنه سد نمی شود بلکه ممکن است منجر به ایجاد برخی تغییر شکل های دائمی - لغزش - دربدنه سد شود. نظریه "کنترل تغییر شکل ایجاد شده در بدنه بهتر از بیان محدود کننده ضریب اطمینان می باشد" نیز توسط ترزاقی تایید کننده مطلب ذکر شده است. ایراد دیگر روش شبه استاتیکی این بود که حالت متداول ناپایداری خاکریزها را مد واقعی گسیختگی در نظر میگرفت. در صورتیکه در طی سال ها ، حالتهای دیگر صدمات وارد به سدها در اثر زلزله در سراسر جهان مشاهده گردید.

اولین گام در توسعه مدل دینامیکی توسط مونوب در سال 1936 برداشته شد و شاید او اولین کسی بود که سدهای خاکی را با بدنه انعطاف پذیر در نظر گرفت و روش معروف به باریکه های برشی را بنا نهاد. مدل تکامل یافته باریکه های برشی در دهه های بین 1960 تا 1970 برای تغییر مشاهدات آزمایشات مقیاس واقعی مورد استفاده قرار گرفت و با کمک این روش ضرایب زلزله برای استفاده در طراحی بدست آمد. لیو در سال 2001، به رفتارهای دینامیکی یک پل بتونی پنج دهنه را در نزدیک و دور از گسل مورد مطالعه قرار داد و نشان داد که زمین لرزه های نزدیک گسل ، تغییر شکل و برش پایه بیشتری نسبت به زلزله های دور از گسل ایجاد میکند. لام و همکاران در سال 2002، اثرات و نوع خاک محل را روی طیف پاسخ در زلزله های دور از گسل و نزدیک گسل مورد بررسی قرار دادند و از روی آن طیف پاسخ زلزله های دور از گسل و نزدیک گسل را برای سایت های صخره ای و خاکی پیش بینی کرد.

شیردل و همکارانش در سال 1390 به بررسی تأثیر ارتفاع آب مخزن بر رفتار لرزهای سدهای خاکی با مطالعه موردی سد مسجد سلیمان پرداختند. اتفاع آب مخزن در زمان های مختلف آبگیری و تخلیه مخزن، از عوامل مهم و مؤثر بر رفتار دینامیکی سدهای خاکی است. در تحقیق آنها برای بررسی تأثیر تراز آب مخزن بر رفتار لرزهای سدهای خاکی، سد مسجد سلیمان با استفاده از روش اجزاء محدود و با در نظر گرفتن معیار موهرکلومب برای مصالح بدنه سد، مدل سازی شده است. تحلیل استاتیکی با فرض 12 لایه و انجام لایه به لایه آغاز و در مرحله تراوش پایدار با اضافه شدن آب مخزن و وزن آن پایان یافته است؛ سپس تحلیل های دینامیکی با استفاده از 4 شتاب نگاشت مربوط به زلزله های حوزه دور انجام و با استفاده از نتایج به دست آمده به بررسی تغییرات شتاب بیشینه و جابه جایی بیشینه در حوزه زمان پرداخته شده است.

حبیب شاه نظری و همکارانش در سال 2007 به بررسی رفتار سدهای خاکی همگن رسی و ماسه ای با پریودهای مختلف در زلزله های حوزه نزدیک گسل پرداختند . زلزله های حوزه نزدیک به دلیل محتوای فر کانسی بالا و همچنین به علت دارا بودن حرکات پالس گونه ی با مدت زمان بلند، نقش بسزایی در خسارات وارده بر ساز های محدوده خود دارند . در تحقیق مذکور، آنالیز دینامیکی بدنه و با فرض شرایط کرنش صفحه ای ، به کمک روش آنالیز تفاضل محدود FLAC2D سد توسط نرم افزار دو بعدی صورت گرفته است.مدل رفتاری مصالح، در هر دو آنالیز استاتیکی و دینامیکی ، مدل خطی براساس معیار موهرکولمب در نظر گرفته شده است . میرایی مورد استفاده ، از نوع رایلی و نسبت استهلاک بحرانی نیز %5 می باشد .

مرحله بعد انتخاب زلزله های مورد نظر می باشد، از بین شتا ب نگاشت ها، رکوردهای موجود تا 50 کیلومتری مرکز سطحی زلزله در نظر گرفته شده است . که یک زلزله در فاصله شعاع 10 کیلومتری بعنوان حوزه نزدیک و دیگری در فاصله محدود به شعاع 20 و 50 کیلومتری بعنوان حوزه دور انتخاب گردیده است.طول المانها در مدل 1 متر و مدت زمان آ نالیز نیز برابر طول کل زمان زلزله در نظر گرفته شده است . شتاب های حاصله زلزله های منتخب - نزدیک و دور از گسل - در عمق 5 متری در جهت افقی به بستر سنگی اعمال می گردد . نتایج حاصله از آنالیز بر روی سدهای همگن رسی و ماسه ای به ارتفاع های مختلف حاکی از این است که : سدهای همگن بلند با پریود طبیعی بزرگتر در اثر اعمال شتاب نگاشت های زلزله های نزدیک گسل نسبت به اعمال شتاب نگاشت های دور از گسل ، شتاب تاج بیشتری نشان می دهند.

برعکس اثر زلزله های دور از گسل بر روی سدهای خاکی همگن کوتاه ، قابل توجه تر است. در نتیجه، باید به احداث سدهای خاکی همگن باپریود بلند در حوزه نزدیک گسل و سدهای خاکی همگن کوتاه در حوزه دور از گسل ، ملاحظات ویژه ای در نظر گرفت و در انتخاب شتاب نگاشت های مورد نظر برای طراحی سدهای خاکی همگن ، به محل رکورد و فاصله از گسل شتاب نگاشت مورد استفاده و پریود طبیعی سد خاکی نیز توجه شود.نیومارک در سال 1936 روشی جدید جهت ارزیابی تغییرمکان های ماندگار پیش بینی شده تحت بارگذاری زلزله، در حالتی که خاکریز تحت اثر روانگرایی قرار نگیرد، ارایه داد . ایده اصلی بر پایه یک بلوک لغزش صلب واقع بر یک صفحه استوار است. بنابراین، در این روش آغاز گسیختگی شیب و جابجایی آن وقتی اتفاق می افتدکه نیروهای اینرسی وارد بر توده لغزش بالقوه در طی زلزله، از نیروهای مقاوم فراتر روند .

اصول بنیادی این روند درشکل ترسیم شده است. با تثبیت شتاب بحرانی یا شتاب تسلیم که ایجاد کننده شرایط - روش تسلیم در یک توده لغزش بالقوه است، و با معلوم بودن پیشینه زمانی شتاب وارد بر توده لغزش، دو بار انتگرال گیری از شتاب های بالاتر از شتاب تسلیم، منجر به محاسبه تغییرمکان های ماندگار پیش بینی شده توسط روش نیومارک می گردد.کوانو و همکارش در سال روشی برای ارزیابی تغییرشکلهای ماندگار، برپایه تنش های استاتیکی اولیه و پیشینه زمانی تنش های دینامیکی حاصل از محاسبات اجزای محدود و اجرای تست هایی با اعمال پیشینه های تنش دینامیکی بعلاوه تنش های استاتیکی بر نمونه های نشان دهنده خاک مورد نظر ارایه نمودند. پتانسیل کرنش پسماند بدست آمده از این تست ها در تحلیل استاتیکی منظور و پیکر بندی نهایی خاکریز تغییر شکل یافته مورد ارزیابی قرار می گیرد.

.3 مواد و روش کار

روشهای عددی در دهههای گذشته توسعه زیادی پیداکردهاند. این روشها بهواسطه پیشرفت سریع فنآوری کامپیوتری و قابلیت دسترسی به آن، در مهندسی عمومیتیافتهاند. قبل از توسعه یافتن کامپیوتر، طراحی سازههای خاکی بر اساس قوانین علمی و تجربی و روند سعی و خطا انجام میگرفت. این قوانین ثابت، بر پایه تجربیات قبلی طراح بودند. در این روشها در موقعیتهای مشابه مقادیری برای تخمینهای اولیه که خیلی محافظهکارانه نیز بودند، ارائه میدادند. مهندسان طراح امروز با مسائلی روبرو میشوند که گاهی هیچ تجربه درخور توجهی از آنها ندارند. همچنین یادگیری و دستهبندی تجربیات گذشته مشکلاتی را نیز در بردارد. از طرف دیگر بناها و سازههای مهندسی، اغلب موقعیتهای خاص و منحصربهفرد دارند و راهحلهای تحلیلی یا فرم بسته برای حالتهای ساده قابلاستفاده هستند.

روش المان محدود یکی از پرکاربردترین روشهای عددی در زمینه مهندسی است، که اولین بار بهوسیله ترنر و همکارانش در سال 1956 برای استفاده در تحلیل ساختمان ارائه شد. در این روش، هندسه مسئله به یک سری المان تقسیم میشود که در نقاط گرهی با یکدیگر ارتباط دارند و روابط تنش- کرنش بهوسیله معادلات مناسب مشخص میشوند. تنش، کرنش و تغییرشکلپذیری را میتوان با تغییر در شرایط مسئله - برای مثال حفاری - تحلیل کرد. انعطافپذیری زیاد این روش در مدلسازیها، اعمال شرایط مرزی متنوع و همچنین توسعه کدهای تجاری توانمند باعث شده است که این روش، یکی از پرکاربردترین روشهای عددی باشد. از نرمافزارهایی که با این روش قادر به حل مسائل ژئوتکنیکی هستند میتوان به ANSYS، PLAXIS و ABAQUS اشاره کرد.

.1.3 نرم افزار PLAXIS

PLAXIS نرمافزاری المان محدود و پیشرفته برای تحلیل تغییر شکلها و پایداری میباشد و در پروژههای مهندسی ژئوتکنیک کاربرد ارد. معمولاً در مسائل مهم ژئوتکنیک، یک مدل رفتاری پیشرفته برای مدلسازی رفتار غیرخطی و وابسته به زمان خاکها بسته به هدف موردنظر، لازم است. با این نرمافزار میتوان خاکبرداری و خاکریزی مرحلهای با شرایط بارگذاری و شرایط مرزی مختلف را با استفاده از المانهای مثلثی 6 گرهی و 15 گرهی مدلسازی نمود. اولین ویرایش این نرمافزار بهمنظور آنالیز سدهای خاکی احداثشده بر روی خاکهای نرم در قسمتهای کم ارتفاع و پست کشور هلند و به سفارش مدیریت منابع آب این کشور در دانشگاه صنعتی Delft در سال 1987 تهیه و سپس در سال 1993 قابلیتهای آن گسترش دادهشده که توسط موسسه Center for Civil Engineering Research and Codes نیز مورد تأیید و پشتیبانی قرار گرفته است.

در این نرمافزار مدلهای رفتاری موهر- کولمب، مدل سختشوندگی هذلولی، مدل نرم شوندگی - مدل - Cam-Clay و مدل نرم شوندگی خزشی قابل بهکارگیری است. همچنین با این نرمافزار میتوان فرایند ساخت و حفاری را توسط فعال کردن و غیرفعال کردن المانها در مرحله محاسبات مدل کرد. نمونهای از کاربرد این قابلیت، انجام آنالیز لایه به لایه در پایداری شیبها ، سدها و تونلها میباشد.مرحله مدلسازی شامل رسم هندسه مدل، شرایط مرزی و نوع بارگذاری، مشخصات مصالح، مش بندی و شرایط اولیه همچون سطح آب زیرزمینی و تنشهای اولیه میباشد. مرحله بعدی که مرحله محاسبات نام دارد شامل تعریف فازهای محاسباتی، تنظیمات کلی محاسبات، پارامترهای کنترل محاسبات، مراحل ساخت، بارهای وارده، انتخاب نقاط موردنظر برای رسم نمودارها و کنترل خطا بهصورت اتوماتیک میباشد.

مرحله سوم که مرحله نتایج یا خروجیها نام دارد شامل نمودار گرافیکی تغییر مکانها، تغییر مکان مش بندی، تغییر مکانهای کلی، نمو تغییر مکانها، کرنشهای کلی، تنشها، تنشهای مؤثر، تنشهای کلی، نسبت پیش تحکیمی نقاط پلاستیک، فشار آب حفرهای، و همچنین نمایش جدولهای خروجی میباشد.با در دست داشتن دادههای اولیه مربوط به هندسه و مصالح سد و همچنین با مشخص بودن بارگذاری زلزله امکان مدلسازی آن در برنامه Plaxis ممکن میباشد. در شکل - 1 - شمایی از هندسه مدل ساختهشده نشان داده شده است. شرایط مرزی مدل نیز مطابق شکل - 1 - از نوع شرایط مرزی استاندار زلزله است. این نوع شرایط مرزی در برنامه Plaxis بهصورت جاذب عمل نموده و همانند مرز