بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه کنترل تغییرشکل خاک در گودبرداریهای عمیق در مناطق شهری پرازدحام با هدف حداقل کردن تاثیر گودبرداری بر سازههای مجاور اهمیت زیادی دارد. بنابراین یک روش مناسب برای مدل کردن رفتار خاک با هدف تعیین پاسخ واقعی خاک به گود برداری و ساخت دیوار و همچنین پیش بینی مقدار و الگوی تغییر مکان زمین، از جمله مسائل بسیار مهم در مکانیک خاک میباشد. دیوارهای حائل دیافراگمی نوعی از دیوارهای حائل صلب از جنس بتن میباشند که با هدف ایجاد تکیهگاه جانبی برای جداره قائم خاک و جلوگیری از گسیختگی آن ساخته می-شوند.
در این تحقیق تاثیر پارامترهای مختلف در پیش بینی تغییرمکان زمین با استفاده از روشهای عددی بررسی شده و همچنین سعی شده است مناسبترین مدل برای خاک در تحلیلهای دیوار حائل دیافراگمی تعیین و نتایج تحلیلهای صورت گرفته با نتایج سایر مطالعات مورد بررسی قرار گیرد. تحلیل پارامتریک در این تحقیق با استفاده از برنامه المان محدود PLAXIS و با فرض مدل رفتاری موهر- کلمب برای خاک انجام گرفته است. ضریب فشار جانبی اولیه، سختی خاک و ... به عنوان پارامترهای تاثیرگذار در تحلیل مورد بررسی قرار گرفتهاند. نتیاج حاصل از تحقیق حاکی از این است که مدول خاک مهمترین پارامتر در پیش بینی تغییرمکان خاک میباشد. بعلاوه، مدل مورد استفاده در تحلیلهای المان محدود نیز از موارد بسیار مهم میباشد.
1. مقدمه
دیوارهای دیافراگمی به دلیل سرعت اجرا و ایمنی مناسب، در بین سازه های نگهبان از جایگاه ویژه ای برخوردار هستند. اجرای این دیوارها در مواردی کهتغییر شکل سیستم نگهدارنده باید محدوده شود، رایج بوده و عمدتاً در ساخت و سازهای مناطق متراکم شهری، به خصوص جهت احداث ایستگاه های زیرزمینی، گودبرداری و اجرای پی های عمیق به طور وسیعی مورد استفاده قرار می گیرند .[3] رفتار دیوارهای دیافراگمی متاثر از مشخصات متعدد هندسی و مقاومتی عناصر آن - دیوار و مهار - و خاک مجاورش می باشد.
تعداد پارامترهای موثر بر رفتار دیوار از یک سو و محدودیت روش های رایج آنالیز دیوار در لحاظ کردن این عوامل از سوی دیگر، نیاز به بررسی های بیشتر در زمینه مطالعات پارامتریک رفتار دیوار را آشکار می سازد. روش تعادل حدی بعنوان متداولترین روش تحلیل سازه های نگهبان در حفاری های عمیق شناخته شده است. ولی وجود فرضیات ساده کننده در روش مذکور استفاده از نتایج تحلیلهای تعادل حدی را با تردید مواجه میکند. در این میان روش های عددی نظیر المان محدود به عنوان یک متد سریع، دقیق و کم هزینه جهت بررسی پارامترهای موثر بر رفتار دیوار مورد اقبال وسیع محققان قرار گرفته است .
[1] در این تحقیق از نرم افزار المان محدود دو بعدی Plaxis جهت بررسی تاثیر پارامترهای مکانیکی و هندسی سیستم استفاده شده است. Plaxis یک برنامه المان محدود پیشرفته برای انجام آنالیز تنش-تغییر شکل و پایداری در پروژه های مهندسی ژئوتکنیک می باشد. این نرم افزار، با قابلیت مدلسازی انواع شرایط تکیه گاهی و بارگذاری و دارا بودن مدل های متعدد رفتاری خاک اعم از مدل های ساده و پیشرفته، امکان شبیه سازی هر چه بهتر رفتار واقعی سیستم را فراهم می کند.
با کمک این نرم افزار میتوان مسائل مکانیک خاک و پی را در شرایط گوناگون مرزی با بهره برداری از مدل های رفتاری مختلف و با استفاده از المان های 6 و 15 گرهی، مدلسازی نموداز. دیگر قابلیت های این برنامه، امکان مدلسازی فرآیند حفاری و انجام ساخت مرحله ای است که عمدتاً در تحلیل دیوارهای نگهبان، سدهای خاکی و تونل ها مورد استفاده قرار می گیرد. Plaxis خود شامل چهار زیر برنامه Input، Calculations، Curves و Output می-باشد.
مدل المان محدود Plaxis میتواند به صورت کرنش صفحهای و یا تقارن محوری انتخاب شود. مدل کرنش صفحه ای در مواردی که هندسه مدل و وضعیت و آرایش بارگذاری در بعد عمود بر مقطع عرضی ثابت باشد، مورد استفاده قرار میگیرد. مدل تقارن محوری برای سازه های دایره ای شکل با مقطع عرضی شعاعی یکنواخت به کار برده میشود. در این حالت، ترتیب بارگذاری پیرامون محور مرکزی بوده، به طوری که تغییر مکان و وضعیت تنش در هر جهت شعاعی، یکنواخت در نظر گرفته میشود - شکل . - 1
2. المانبندی
برای مدل کردن لایه های خاک در برنامه Plaxis از المان های مثلثی 6 و 15 گرهی استفاده می شود - شکل . - 2 مثلث 15 گرهی از درون یابی مرتبه چهار از تغییر مکان و انتگرال گیری عددی از 12 نقطه گاوس - نقاط تنش - به دست می آید. مثلث 6 گرهی نیز از درون یابی مرتبه دوم و انتگرال گیری عددی از نقطه گاوس حاصل میشود. المان مثلثی 15 گرهی المان بسیار دقیقی است که نتایج تنش بهتری را در تحلیل مسائل ارائه می دهد.
استفاده از این المان حافظه بالایی را میطلبد و سبب زمان بر شدن روند محاسبات میگردد. المان 6 گرهی در مقایسه با المان 15 گرهی دقت پائین تری دارد اما محاسبات در زمان کمتری انجام میگیرد. برای مدل کردن سازه های لاغر با سختی محوری و صلبیت خمشی کافی از قبیل دیوارها و پوسته ها المان صفحه به کار برده می شود - شکل . - 3 مهمترین پارامترهای ورودی صفحات صلبیت خمشی EI و سختی محوری EA می باشد.
شکل :3 موارد کاربرد المان صفحه
برای مدلسازی اندرکنش خاک- سازه و به عبارت دیگر شبیه سازی مصالح تحت برش در تماس با پی، شمع، دیوار حائل و ... از المان سطح مشترک استفاده میشود. هر سطح مشترک به صورت یک ضخامت مجازی بیان میگردد. عموماً فرض میشود که المان های سطح مشترک تغییر شکل الاستیک کوچک و در نتیجه ضخامت مجازی ناچیزی دارند. با این وجود اگر ضخامت مجازی بیش از حد کوچک باشد، شرایط ناموزون عددی اتفاق میافتد.
در صورتی که در فرمولبندی المان محدود از المان خاک 15 گرهی استفاده شود، المان سطح مشترک به وسیله 5 جفت گره و در صورتی که از المان خاک 6 گرهی استفاده شود، المان سطح مشترک توسط 3 جفت گره تعریف می گردد - شکل . - 4 برای مدل کردن مهار نیز نرم افزار Plaxis از دو نوع المان گره به گره و مهارهای با انتهای ثابت استفاده می کند. مهارهای گره به گره فنرهایی هستند که برای مدل کردن مهارهای بین دو نقطه به کار می روند و از یک المان فنر الاستیک دو گرهی با سختی مناسب تشکیل شده اند. این المان در معرض نیروهای کششی و فشاری قرار داشته و برای شبیه سازی مهارهای زمینی مورد استفاده قرار میگیرد. مهارهای با انتهای ثابت فنرهایی هستند که برای مدل کردن مهار یک نقطه به کار می روند و از یک المان فنر الاستیک گره به گره با سختی محوری تشکیل یافته اند.
3. مدل موهر - کولمب
موهر- کولمب کاربردی ترین الگو در بین مدل های رفتاری الاستو- پلاستیک کامل می باشد - شکل . - 5 در مدل های الاستو- پلاستیک کامل، سطح تسلیم منطبق بر معیار گسیختگی است. در داخل سطح تسلیم، وضعیت کاملاً ارتجاعی خطی برقرار بوده و در صورتی که موقعیت تنش روی این سطح قرار گیرد، حالت خمیری کامل در خاک حکم فرما خواهد بود. به بیان دیگر اساس رفتار الاستو- پلاستیک کامل بر آن است که کرنش ها و نرخ آنها به یک بخش الاستیک و یک بخش پلاستیک تجزیه شوند.
