مقاله روش سیالاتی برای ارزیابی تأثیر حضور شمع بر گسترش جانبی ناشی از روانگرایی

بخشی از مقاله

خلاصه

تغییر شکل جانبی لایههای خاک مستعد روانگرایی نسبت به دیگر پدیدههای ناشی از روانگرایی، جز پرمخاطرهترین مواردی است که خرابیهای زیادی را در هنگام زلزله و بعد از روانگرا شدن خاک به بار میآورد. بر اساس مطالعات صورت گرفته بر روی خرابی مناطق مستعد روانگرایی از زلزلههای گذشته، محققین گسترشجانبی ناشی از روانگرایی را عامل اصلی خرابیها معرفی کردند. امروزه برای کنترل و کاهش میزان جابجایی افقی ناشی از گسترش جانبی راهکارهای مختلفی استفاده میشود، که یکی از این راهکارها استفاده از شمع و گروه شمع میباشد. در سالهای اخیر مطالعات زیادی به منظور ارزیابی پاسخ شمعهای مستقر در چنین خاکهایی صورت گرفته است،

اما بدلیل ماهیت پیچیده خاک روانگرا و دشواری ارزیابی اندرکنش شمع-خاک در این شرایط، همچنان نبود یک روش کارآمد در این زمینه احساس میشود. در این تحقیق سعی شد تا با نگاهی متفاوت به پدیده روانگرایی و اثر حضور شمع در این گونه خاکها پرداخته شود. طبق مطالعات صورت گرفته در گذشته، خاکهای ماسهای بعد از روان شدن رفتاری مشابه سیال ویسکوز دارند، در نتیجه روشهایی که بتوانند هر دو فاز - جامد و مایع - خاک در شرایط روانگرایی را مدلساز کنند نسبت به روشها دیگر ارجحیت دارند.

از این رو، در تحقیق حاضر، ماسه اشباع نوادا در نرمافزار FLOW-3D به عنوان سیال ویسکوز و غیرنیوتنی مدل شده است وجابجایی افقی به دست آمده از مدل عددی بدون حضور شمع با نتایج آزمایش سانتریفیوژ مورد ارزیابی قرار گرفته است که نتایج از قابل قبول بودن مدل عددی حکایت میکنند و در نهایت اثر حضور شمع، به عنوان یکی از راهکارهای مرسوم کاهش جابجایی افقی مورد ارزیابی قرار گرفته است.

1.    مقدمه

خرابیهای ناشی از زلزلهعمدتاً به دو گروه اولیه و ثانویه تقسیم میشوند که پدیده روانگرایی از جمله خرابیهایی است که در گروه دوم این تقسیمبندی قرار میگیرد. یکی از پدیدههای مخرب ناشی از روانگرایی در ماسههای اشباع، گسترش جانبی است که میتواند باعث تخریب بسیاری از شریانهای حیاتی و سازههای مدفون و نیمه مدفون در خاک گردد. محققین بسیاری مخاطرات گسترش جانبی ناشی از روانگرایی در خاکها مختلف را بررسی کردند و راهکارهایی نیز به منظور ارزیابی میزان جابجایی افقی زمین در چنین شرایطی ارائه کردهاند که هر کدام از راهکارهای ارائه شده دارای مزایا و معایب گوناگونی هستند.

با وقوع زلزله سال 1964 آلاسکا به بیش از 250 پل و خاکریز در طول بزرگراهها آسیب وارد شد. در همان سال زلزله نیگاتا باعث تخریب گسترده در شهر نیگاتا و حومه آن شد و سازههای مدفون و شالودهها بهطور جدی تحت تأثیر پدیده روانگرایی در این منطقه قرار گرفتند. بعد از زلزله 1964 نیگاتا،هامادا و همکاران[2] به بررسی مکانیزم حرکت زمین ناشی از روانگرایی و تأثیر آن بر سازههای مدفون پرداختند. آنها نشان دادند که این پدیده میتواند صدها مترمربع از مناطق را تحت تأثیر قرار دهد و حرکت جانبی آن میتواند به چند متر برای یک شیب ملایم برسد همچنین آنها با استفاده از اطلاعات زلزله 1964 نیگاتا ، زلزله 1983 کوبه و زلزله 1971 سان فرناندو توانستند یک مدل تجربی بسیار ساده شده را برای تعیین جابجای افقی زمین معرفی کنند.

تاواتا و همکاران [3] با استفاده از مفهوم حداقل انرژی پتانسیل، یک روش اجزاء محدود سه بعدی برای مقدار نهایی گسترش جانبی ارائه دادند. یاسودا و همکاران [4] یک سری تحلیل ساده اجزاء محدود دو مرحلهای انجام دادند که در مرحله اول مدول الاستیک اولیه خاک را مدنظر قرار دادهاند و در مرحله دوم از مدول کاهش یافته استفاده کرده و گزارش دادند که جابجایی زمین از تفاضل جابجایی بین این دو مرحله بدست میآید. یود و همکاران [5] با استفاده از یک بانک اطلاعاتی گسترده از میزان جابجایی هشت زمین لرزه در ژاپن و غرب ایالات متحده آمریکا و با استفاده از روش رگرسیون چند متغیره خطی - MLR - یک رابطه ی تجربی برای اندازهگیری جایجایی سطح زمین ناشی از گستردگی جانبی خاک ارائه کردند.

مدل مطرح شده دارای دو دسته بندی مختلف است که شامل مدل با سطح آزاد و مدل با شیب نامحدود است. آیدان [6] با در نظر گرفتن سیال به عنوان جسم ویسکوالاستیک یک حل عددی روش اجزاء محدود را برای مدلسازی گسترش جانبی لایه روانگرا شده در نظر گرفت. این مدل نیاز به پارامترهای الاستیک و پارامترهای ویسکوز داشته است. اوزاکا [7] بر پایه دینامیک سیالات حل عددی را با روش حجم محدود ارائه کرد و رفتار خاک روانگرا شده را به عنوان سیال بینگهام معرفی نمود که به عنوان یکی از اصلیترین مطالعات در این زمینه مطرح شد. هاداش و همکاران [8] با استفاده از همان فرضیات و روش اوزاکا [7] روش Interpolated pseudo- particle - CIP - را برای مدلسازی استفاده کردند.

در نهایت جعفریان و همکاران [9] با در نظر گرفتن ماسه بهعنوان سیال بینگهام معادله سادهای را برای تعیین جابجایی افقی زمین در شرایط گسترش جانبی ساختگاهی در زلزله کوکایلی ارائه کردند. حال با توجه به آسیبهای جدی که حرکت افقی ناشی از گسترش جانبی میتواند به سازهها اعمال کند، راهکارهایی برای کاهش میزان جابجایی افقی در این شرایط، مانند استفاده از شمع و گروه شمع ویا روشهایی که پتانسیل روانگرایی خاک را کاهش دهد، از جمله تراکم و تزریق توسط محققین عنوان شده است. به همین منظور وقتی شمع درون شیب خاکی مستعد گسترش جانبی قرار دارد، در معرض آسیبهای جدی قرار میگیرد، از این رو تحلیل و طراحی شمع در چنین شرایطی نیاز به دقت بیشتری دارد.

چرا که بعد از روانگرایی و رخ دادن گسترش جانبی در لایه خاک، از یک طرف بهدلیل کاهش سختی خاک شمع از حمایت خاک اطراف خود محروم میشود و مانند یک ستون بدون مهارجانبی عمل میکند و در این شرایط امکان کمانش شمع وجود دارد، ازطرفی دیگر در صورت حرکت جانبی زمین، شمع علاوه بر تحمل بارهای اینرسی و بارهای استاتیکی سازه فوقانی، باید بارافقی ناشی از حرکت افقی زمین را نیز تحمل کند که همچنان روش مناسبی برای توزیع این باردر ارتفاع شمع وجود ندارد. در همین راستا، پژوهشهایی به صورت آزمایشگاهی و عددی توسط محققین مختلف صورت گرفته است که در ادامه به چند مورد اشاره شده است.

معتمد و همکاران [10] با انجام آزمایش میز لرزان به بررسی رفتار گروه شمع در برابر گسترش جانبی پرداختهاند و نشان دادند که در شرایط روانگرایی و گسترش جانبی بهتر است به نرخ جابجایی افقی توجه شود و رابطه ای را بر حسب − را به جای − ارائه کردند.کابرینوفسکی و همکاران [11] با انجام آزمایش میزلرزان به بررسی رفتار شمعهای قرار گرفته در پشت دیوار ساحلی پرداختند و اهمیت انجام این تحقیق از آن جهت بود که در زلزله 1995 کوبه بیشتر سازههای متکی بر شمع در پشت دیوار ساحلی آسیب دیدهاند. در نهایت از نتایج بدست آمده از این آزمایشها برای صحتسنجی تحقیق عددی انجام شده با نرم افزار DYNA و مدل رفتاری الاستوپلاستیک برای ماسه استفاده کردند.

هرچند که مدل عددی، جابجایی دیوار ساحلی را کمتر ازمقدار واقعی و تغییرشکلهای ماندگار شمع را با دقت کمتری پیش بینی نمود، اما میتوان گفت که نتایج عددی و آزمایشگاهی مطابقت مناسبی با هم داشتند. رحمانی و همکاران [12] با استفاده از نرم افزار المان محدودی OpenSees به بررسی عملکرد شمع مستقر در خاک سه لایه مستعد گسترش جانبی پرداختهاند و اثر فرکانس، دانسیته و شرایط گیرداری سر شمع را مورد ارزیابی قرار دادهاند. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که بعد از پایان لرزش، خاک زهکشی شده و حدود %30 مقاومت خود را بدست میآورد. همچنین با افزایش فرکانس، شدت جابجایی و نیروی وارده به شمع کاهش یافته و با افزایش دانسیته و گیردار کردن سر شمع، از میزان جابجایی شمع کاسته می شود.

در تحقیق حاضر سعی شده است به کمک معادلات سیالات محاسباتی، تخمین مناسبی از جابجایی افقی سطح زمین ناشی از گسترش جانبی بهدست آید. به همین منظور، ابتدا رفتار شبه سیال ماسه و تاریخچه آن به طورمختصر بیان شده است. سپس نحوه تعیین مشخصات ماسه و روابط بهکارگرفته شده مطرح شده است و پس از آن به بررسی خروجی مدل عددی با نتایج تست سانتریفیوژ پرداخته شده است و در نهایت اثر حضور شمع و گروه شمع به عنوان یکی از راهکارهای مناسب کاهش میزان جابجایی افقی ناشی از گسترش جانبی بررسی شده است. لازم بذکر است بدلیل محدودیت نرم افزاری، شمع به عنوان یک مولفه الاستیک در نظر گرفته شده است و مشخصات آن به صورتی تعیین شده است که کمترین جابجایی را داشته باشد و در محدوده الاستیک باقی بماند و تنها اثر حضور شمع برروی میزان جابجابی افقی حائز اهمیت است.

2.    رفتار شبه سیالی ماسه

شاید بتوان شروع دیدگاه سیال فرض نمودن خاک اشباع را سال 1992 دانست که درآن سال، ساساکی و همکاران [13] مشاهداتی را برروی جابجاییهای به جا مانده از زلزله سال 1983 در کوبه انجام دادند. در پژوهشآنها اثر نیروی ثقل به وضوح قابل مشاهده است، همچنین جابجاییها در قسمت بالای شیب نسبت به پنجه شیب بسیار بیشتر است. آنها با انجام یک سری آزمایشها میزلرزه برروی خاک روانگرا شده دریافتند که خاک روانگرا شده رفتاری مشابه سیال دارد و در گزارش آنها آمده است که جابجایی ناشی از نیروهای ثقل است و شتاب سیکلی تنها روی آن اثرگذار است.

هامادا و همکاران [2] برای تعیین اثر روانگرایی خاکهای ماسهای بر روی سازههای مدفون در این خاکها، آزمایش میزلرزه را ترتیب دادند. نتایج نشان دادند که فشار وارد بر دیوارهای مدفون، تقریبا برابر فشار وارد از طرف یک سیال با نیروی ثقلی معادل است و همچنین نیروی ناشی از پدیده گسترش جانبی، بیشتر تحت تأثیر سرعت جریان است تا بزرگای جابجایی افقی باشد. در نهایت هامادا و همکاران [14] بر اساس مشاهدات خود، مطرح کردند که ماسه روان شده رفتاری همانند سیال ویسکوز دارد و یک مدل شبه پلاستیکی را برای ماسه روان شده ارائه دادند.

.1-2  ویسکوزیته

ارزیابی مناسب ویسکوزیته ماسه روانگرا شده کار دشواری است، با این حال محققین زیادی 3]و[14 در این زمینه تحقیقاتی را انجام دادند که نتایج بدست آمده از تحقیقات حاکی از آن است که اختلافات زیادی در تعیین ویسکوزیته خاک روانگرا شده وجود دارد. به همین منظور در تحقیق حاضر با استفاده از نمودار شکل 1 ویسکوزیته حداکثر و حداقل اولیه ای برای سیال در نظرگرفته شده است سپس به روش تحلیل برگشتی مقدار ویسکوزیته نهایی تعیین شده است. همچنین از مدل شبه پلاستیک Carraeau به منظور کاهش ویسکوزیته با افزایش نرخ کرنش - ویسکوزیته ظاهری - استفاده شده است. بر اساس مدل Carraeau ویسکوزیته سیال در نرخ کرنش کم ثابت است سپس با رسیدن نرخ کرنش به نرخ کرنش مرجع و بعد آن از مقدار ویسکوزیته سیال کاسته می شود تا به کمترین مقدار در نرخ کرنش بینهایت برسد.