بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به افرایش مبادله کالا از طریق دریا، اهمیت اسکلهها افزایش چشمگیري داشته است. بهخصوص اینکه باید تحمل زلزله و روانگرایی را داشته باشند و در برابر آسیبهاي وارده مصون بمانند. تحلیل عملکرد اسکله در برابر روانگرایی معمولاً در حالت دوبعدي انجام میشود، حالآنکه تحلیل آن، مسئلهاي کاملاً سهبعدي بوده و تحلیل آن بهصورت دوبعدي خالی از اشکال نیست.
در این مقاله مقادیر جابجایی نقاط مختلف اسکله و همچنین جابهجایی دیواره آن و لنگرهاي به وجود آمده در شمع پشت اسکله با کمک نرمافزار Flac3D که داراي قابلیت تحلیل غیرخطی تنش مؤثر، تولید اضافه فشار آب حفرهاي و شبیهسازي روانگرایی در محیط پیوسته خاك است، موردبررسی قرارگرفته است و در انتها نتایج تحلیل مورد ارزیابی قرارگرفته که این نتایج منطقی بوده و با مدل فیزیکی همخوانی دارد.
.1 مقدمه
روانگرایی یکی از مهمترین عناوین مهندسی ژئوتکنیک لرزهاي است. هنگامیکه دو زلزله در آلاسکا - 1964 - و نیگاتا ژاپن - 1964 - رخ داد، در هر دو زلزله نمونههاي جالبی از خرابی ناشی از زلزله مانند گسیختگی شیبها، گسیختگی شالوده و پلها و شناوري سازههاي مدفون براثر روان شدن خاك بستر اتفاق افتاد. همچنین در زلزله منجیل ایران - 1990 - نیز خرابیهاي زیادي که ناشی از روانگرایی بوده مشاهدهشده است.
پسازاین زلزلهها روانگرایی توسط محققان بررسی و مطالعه شده است. زلزله نیگاتا ژاپن را میتوان نمادي از اولین رخداد در جهان دانست که سبب ویرانی زیرساختهاي مدرن گردید که بعدها بنام پدیده روانگرایی مطرح شد. هماکنون بسیاري از سازههاي موجود و یا در حال ساخت همانند بندرها، اسکلهها، پلها و بسیاري دیگر از سازههاي متکی بر شمع در نواحی مستعد روانگرایی و گسترش جانبی واقعشدهاند. اثرات گسترش جانبی زمین بر شمعها و سازههاي مرتبط با آنها بسیار مخرب است.
مطالعات انجامگرفته بر روي اثرات روانگرایی بر اسکله و دیواره و شمع پشت آن بسیار کم صورت گرفته و بیشتر مطالعات به بررسی تحلیل لرزهاي دیواره بسنده کردهاند. بیشتر مطالعات در این زمینه آزمایشگاهی بوده و تعداد محدودي نیز مطالعات عددي نیز وجود دارد که این مطالعات اثرات روانگرایی بر سطح زمین و یا شمع و یا دیواره را موردبررسی قرار دادهاند.
ازجمله مطالعات آزمایشگاهی میتوان به از آزمایشات سانتریفیوژ Abdoun - و همکاران [1]؛ Imamura و همکاران [2]؛ Brandenberg و همکاران - [3]، آزمایشات میز لرزان Cubrinovski - و همکاران [4]؛ Haeri و همکاران [5]؛ Motamed و همکاران [6]؛Tang و همکاران - [7] و آزمایشات برجاي انفجاري Rollins - و همکاران [8]؛ Ashford و همکاران - [9] و ازجمله مطالعات عددي میتوان به مطالعات Chaloulos و همکاران [10] و Su و همکاران [11] به اشاره نمود.
در این مقاله به شبیهسازي عددي آزمایش میز لرزان صورت گرفته توسط معتمد و همکاران [6] پرداختهشده است. در این آزمایش به کمک میز لرزان و اعمال شتاب به مدلی شامل شمع و دیواره، روانگرایی صورت گرفته و نتایج بهوسیله حسگرهایی برداشتشده است. جهت شبیهسازي عددي این آزمایش، از نرمافزار اختلاف محدود Flac3D استفادهشده است. این نرمافزار اختلاف محدود قادر به شبیهسازي فشار آب حفرهاي و اجزاي سازهاي است. در انتهاي مقاله نیز نتایج حاصل از نرمافزار ارائهشده است.
2 .مشخصات آزمایش مدل
معتمد و همکاران [6] در سال 2010 در مرکز تحقیقات پدافند زلزله ژاپن بهمنظور بررسی رفتار خاك، شمع و دیواره، اقدام به ساخت چند مدل فیزیکی و آزمایش آنها به کمک میز لرزان پرداختند. براي ثبت رفتار مدل از حسگرهاي زیادي استفادهشده است. این حسگرها وظیفه ثبت جابهجایی، فشار آب، خمش شمع و... مطابق شکل 1 بر عهده داشتند. خاك استفادهشده در این مدل از نوع ماسه سیلیکاتی آلبانی با مشخصات مندرج در جدول 1 است.
.3 شبیهسازي عددي به کمک Flac3D
نرمافزار Flac3D یک برنامه اختلاف محدود صریح در فضاي سهبعدي و از مجموعه نرمافزارهاي شرکت Itasca است. Flac3D بر روش محاسبات لاگرانژي صریح استوار است و حد تسلیم و جریان پلاستیک بهدقت در آن مدل میشود. ازآنجاکه در فرآیند تحلیل هیچگونه ماتریسی ساخته نمیشود، محاسبات پرحجم سهبعدي بدون نیاز به حافظه اضافی قابل انجام است.
بهمنظور شبیهسازي این مدل فیزیکی به دلیل وجود تحلیل دینامیکی، برنامه به دو بخش تقسیمشده است. بخش اول به تحلیل استاتیکی مدل و بخش دوم به تحلیل دینامیکی آن میپردازد. در بخش اول ابتدا هندسه و المانها مدل شده و بعد از تخصیص مدل رفتاري و شرایط مرزي و اولیه، مدل به تعادل میرسد و در انتها جابهجاییهاي ناشی از حالت استاتیکی صفر شده است. در بخش دوم ابتدا مدل رفتاري معرفیشده و بعد از اعمال بارگذاري و تعیین خصوصیات مرزها، مدل حلشده و به تعادل میرسد. جزییات فرآیندها در ادامه آورده شده است.
3-1 مدلسازي ابعاد و مشخصات
در ابتدا ابعاد مدل با توجه به ابعاد شکل 1 هندسه سازي شده است. براي مدلسازي شمع و دیواره به ترتیب از دو المان سازهاي تعریفشدهي شمع1 و صفحه2 استفادهشده است. براي معرفی پارامترهاي این دو المان، چالشبرانگیزترین گام، انتخاب خصوصیات فصل مشترك است. این خصوصیات شامل اختصاص سختیهاي نرمال و برشی است.
یک قانون تجربی وجود دارد که مقادیر سختی نرمال - kn - و سختی برشی - ks - را مساوي با 10 برابر سختی معادل سختترین زون مجاور پیشنهاد میکند. سختی معادل - واحد تنش بر واحد جابهجایی - براي یک زون در جهت عمود بر برابر است با .[12] در رابطه بالا K و G به ترتیب برابر با مدول بالک و برشی و zmin کمترین ضخامت زون مجاور فصل مشترك در جهت قائم - z - است. با توجه به مشخص بودن مقادیر مدول برشی و بالک، بعد از انتخاب شبکهبندي و مشخص شدن zmin مقدار سختی فصل مشترك مشخصشده است.
در تحلیل مسائل دینامیکی به دلیل وقوع پدیده انتشار امواج، انتخاب ابعاد هر المان باید موردتوجه ویژه قرار بگیرد. محتواي فرکانسی موج ورودي و نیز سرعت انتشار امواج در خاك بر دقت مدلسازي عددي انتشار موج تأثیرگذار خواهد بود. Kuhlemeyer and Lysmer نشان دادند که براي مدلسازي دقیق انتشار موج در یک مدل، اندازه هر بعد از المان باید کوچکتر از یکدهم تا یکهشتم طولموج متناظر با بیشترین محتواي فرکانسی موج ورودي باشد که میتوان آن را به کمک رابطهي زیر بیان نمود .[12]
در روابط بالا، Vs سرعت موجبرشی در خاك و f فرکانس متناظر با بیشترین محتواي فرکانسی موج ورودي است. آشکار است که کمترین مقدار براي Δl با استفاده از رابطهي بالا، زمانی حاصل میشود که Vs کمینه و f بیشینه شود. با توجه به اینکه سرعت موج برشی برابر مقدار 120 متر بر ثانیه و فرکانس موج ورودي برابر 5 هرتز بوده است، اندازه بزرگترین المان نباید از 2/4 متر بزرگتر باشد که این مقدار ارضاء شده است.
3-2 مدل رفتاري
مدل انتخابی در حالت استاتیکی، مدل موهر کولمب است که یک مدل الاستیک-پلاستیک کامل میباشد. این مدل براي حالت استاتیکی مناسب است اما براي حالت دینامیکی مناسب نمیباشد. به این دلیل که مدل مور کولمب قادر به تولید و شبیهسازي فشار آب حفرهاي نمیباشد.
