بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شمع هاي غیر متصل به کلاهک در مقایسه با نوع متصل
چکیده
در این مطالعه سعی بر اینست تا با تکیه بر روش اجزاء محدود و استفاده از نرمافزار Abaqus/CAE v6.11-1 مطالعه پارامتري روي شمعهاي غیر متصل به کلاهک انجام گیرد. در حالت معمول شمع با کاهش مقدار بار انتقالی به خاك سطحی، نشست را کاهش میدهد. در حالی که با وارد کردن یک لایه تغییرشکل پذیر بین دال و سرشمع توزیع فشار یکنواخت تري بر زیر دال ایجاد میگردد و عکس العملهاي تکیهگاهی بین دال و سرشمع کاهش مییابد. این نوع شمعها با تشکیل یک ترکیب جدید که دال روي آن قرار دارد پارامترهاي مکانیکی را بهبود میبخشند. در این مطالعه با خاك زیرین و لایه میانی به ترتیب ماسه و ماسه سیلیسی روي نشست و تنش در خاك و بار شمع در حالتهاي تک و گروه شمع و در دو حالت متصل و غیر متصل به کلاهک با لحاظ اندرکنش هاي نرمال و تماسی و بار استاتیکی قائم بحث و بررسی گردید.
واژههاي کلیدي: شمعهاي غیر متصل، شمعهاي متصل، نشست دال، تنش خاك سطحی، تنش در خاك زیر شمع
-1 مقدمه
شمع ها در خاك هاي سست و با باربري پایین براي انتقال بار به اعماق خاك به کار برده می شوند. در اینصورت نقش لایه هاي بالایی خاك در تحمل بار ناچیز است. با ایجاد یک لایه پر کننده میانی خاکی (شکل (1 که شمع را از دال جدا می کند عکس العمل هاي تکیه گاهی بین دال و سرشمع کاهش می یابد و نقش خاك سطحی در تحمل بار پررنگ تر از حالت شمع هاي متصل می گردد. شمع هاي غیر متصل به دال بارها را از سازه بالایی در حالتی غیر مستقیم تحمل می کنند.
شکل -1 شماتیک سیستم دال و شمع مجزا با لایه میانی
در حالت معمول سرشمع و سطح خاك داراي نشست برابري با دال می باشند از اینرو نشست نسبی شمع - خاك برابر صفر در سرشمع و ماکزیمم در ته شمع است و اصطکاك بدنه به سمت بالا بسیج می گردد و همچنین بار به صورت سهمی
1
براي خاك و سهمی براي سرشمع تقسیم می گردد و توسط شمع در خاك هاي عمیق تر پخش می گردد. وارد کردن یک لایه تغییر شکل پذیر بین دال و سرشمع اجازه جابجایی نسبی خاك - شمع به سمت پایین را می دهد که اصطکاك منفی بر بخش بالایی بدنه تولید می کند. این مکانیزم با ضخامت و سختی لایه میانی و همچنین سختی خاك زیرین کنترل می گردد.
شمعهاي غیرمتصل به عنوان تقویت قائم خاك زیرین عمل می کنند و با تشکیل یک ترکیب جدید و ماده سخت تر که دال روي آن قرار دارد پارامترهاي مکانیکی آنرا بهبود می بخشند. در حالی که شمع هاي متصل با کاهش مقدار بار انتقالی به خاك سطحی نشست را کاهش می دهند. بار انتقالی به سطح زمین تنش هاي افقی و قائم خاك احاطه کننده شمع را افزایش داده و ظرفیت باربري بدنه شمع را می افزاید.
Fioravante و [1] (2010) Giretti یک سري آزمایش هاي سانتریفیوژ براي تحقیق در مکانیزم انتقال بار بین دال و گروه شمع ها در ماسه خشک در دو حالت تماس مستقیم با دال و مجزا از آن با لایه دانه اي میانی انجام دادند. نتایج نشان دادند که شمع هاي تماسی به صورت کاهنده نشست بوسیله پخش کردن بار اعمالی که به سرشان اعمال میگردد در توده عمیق تر خاك عمل می کنند در حالی که شمع هاي غیر تماسی بار را در سطحی گسترده تر و در نتیجه با شدت کمتر به شمع ها و به خاك زیرین انتقال داده و همچنین خاك سطحی زیر دال را نیز در تحمل بار درگیر می کند.
اسلامی و ویسکرمی [2] (2012) مطالعه عددي در مقایسه با مدل سازي نرم افزاري شمع هاي متصل و غیر متصل انجام دادند و مشاهده کردند شمع ها در حالت غیر متصل نیروي بسیار کمتري از حالت متصل تحمل می کنند و همچنین ضخامت دال تاثیر عمده اي در نشست متوسط آن ندارد اما در نشست جزئی و لنگر خمشی دال به دلیل تغییر ضخامت و سختی خمشی آن تاثیر دارد. افزایش طول شمع نیز تاثیر عمده اي در نشست ماکزیمم دارد.
اسلامی و صالحی [3] (2011) تحلیل هاي نرم افزاري با نرم افزار Abaqus/CAE V6.8 روي شمع هاي متصل و غیر متصل به دال را با چند مطالعه موردي مقایسه کردند و دریافتند که شمع هاي غیر متصل به عنوان سخت کننده خاك زیرین عمل می کنند و فشار تماسی در خاك زیرین در این حالت بیشتر است. تنش محوري در شمع هاي غیر متصل کمتر از شمع هاي متصل است و همچنین سختی کمتر لایه میانی، عمق بیشتر اصطکاك منفی را نتیجه می دهد.
سعیدي و بازیار [4] (2013) یک سري آزمایش هاي سانتریفیوژ روي شمع هاي متصل و غیر متصل به دال انجام دادند و دریافتند هنگامیکه شمع به عنوان کاهنده نشست عمل می کند لایه میانی تاثیر مثبتی در کاهش نشست دارد و هنگامیکه شمع نقش عمده اي در ظرفیت باربري سیستم را دارد لایه میانی نشست را می افزاید.
[5] (2011) Fioravante با آزمایش هاي سانتریفیوژ روي شمع هاي متصل و غیر متصل به دال با لایه میانی درشت دانه به اصطکاك جداري منفی بخش بالایی بدنه شمع دریافت که در نتیجه آن بار به صورت بخشی از سر شمع و بخشی به صورت اصطکاك جداري منفی به شمع می رسد. همچنین شمع هاي غیر متصل به دال در مقایسه با نوع متصل سختی دال را افزایش می دهند. در این مطالعه سعی بر اینست تا با تکیه بر روش اجزاء محدود و استفاده از نرمافزار Abaqus/CAE V6.11-1 مطالعه پارامتري روي شمعهاي غیر متصل به کلاهک انجام گیرد.
-2 مدلسازي عددي و مفروضات
-1-2 مدل سازي هندسی
در مطالعه حاضر مدل هاي سه بعدي تک، چهار و نه شمع با طول 19 متر مدل گردید. مدل ها در دو حالت متصل و غیر متصل به دال با یک لایه میانی یک متري در نظر گرفته شدند. عرض دال B=7.5m انتخاب گردید که ضخامت آن 1.6m می باشد. ابعاد توده خاك نیز داراي عمق 4.3B=32m و عرض 3.5B=26m می باشد که در نتیجه فاصله ته شمع از پایین توده خاك 13m می باشد. در تمامی موارد قطر شمع ها 0.5m و همچنین فاصله شمع ها در حالت 4 و 9 شمع به ترتیب 5m و 2.5m در نظر گرفته شد. [1] حروف NC و PR به ترتیب بیانگر شمع هاي غیر متصل و متصل به دال است که اعداد بعد از حروف نشان دهنده تعداد شمع ها می باشد.
2
-2-2 مشخصات مصالح
براي توده خاك از ماسه با 15% دانه هاي ریزتر از 0.075mm و و
، ، و استفاده گردید. در مدل هاي غیر
متصل براي لایه میانی از ماسه سیلیسی تکسایز با و ،
، و استفاده شد. مدول الاستیسیته توده خاك و لایه میانی
115MPa و نسبت پواسون 0,2 در نظر گرفته شد. براي بیان رفتار حالت تسلیم خاك ها معیار دراکر-پراگر با تنش تسلیم
575KPa و زاویه اتساع انتخاب گردید. [1]
بتن شمع و دال داراي مدول الاستیسیته 21GPa ، نسبت پواسون 0,2 و چگالی می باشد. براي بیان
رفتار شکست بتن از تحلیل رشد ترك با نسبت تنش فشاري - کرنش پلاستیک زیر استفاده گردید. [6] (این رفتار مربوط به بعد از تسلیم تا شکست نهایی می باشد، به همین دلیل کرنش ها به صورت کرنش مطلق پلاستیک می باشند.)
جدول -1 رابطه تنش فشاري - کرنش پلاستیک بتن
-3-2 اندرکنش مصالح
در این مطالعه از تماس سطح با سطح با امکان لغزش محدود و از نوع تماس سخت استفاده شده است. تماس از نوع سخت امکان نفوذ سطح فرعی به داخل سطح اصلی را به حداقل می رساند و اجازه انتقال تنش کششی در سطح تماس را نمی دهد. در این نوع تماس وقتی سطوح در تماس با هم قرار می گیرند هر فشار تماسی بین آنها منتقل می شود. اگر این فشار تماسی به صفر برسد سطوح از یکدیگر جدا می شوند. سطوح جدا شده بار دیگر در تماس با هم قرار می گیرند. [7] در مطالعه حاضر براي اعمال اندرکنش بین مصالح مختلف دو نوع تماس اصطکاکی و عمودي بین سطوح در نظر گرفته شد. در تماس اصطکاکی از فرمولاسیون پنالتی با ضریب اصطکاك ثابت tanδ استفاده شد که در آن δ زاویه اصطکاك بین مصالح میباشد. در تماس عمودي بین دو سطح هم از فرمولاسیون پنالتی و تماس سخت استفاده شد. انواع اندرکشها عبارتند از:
-1 اندرکش بین دال و توده خاك
-2 دال و لایه میانی
-3 دال و شمع
-4 لایه میانی و توده خاك
-5 لایه میانی و شمع
-6 خاك و شمع.
ضریب اندرکنش اصطکاکی خاك ها و بتن از رابطه (1) بدست آمد: [8]
(1)
3
و براي اندرکنش اصطکاکی خاك ها با یکدیگر به دلیل برابر بودن زاویه اصطکاك داخلی خاك ها ضریب در نظر گرفته شد.
-4-2 شبکه بندي مدل ها
براي شبکه بندي مدلها از تکنیک شبکه منظم استفاده گردید که هم شبکه منظم تري را براي پردازش بعدي نتایج به دست میدهد و هم زمان آنالیز را کاهش میدهد. همچنین از المان C3D20R (المان مکعبی 20 گرهی) براي المانهاي خاك ها و شمع و دال استفاده گردید که المانی قدرتمند در زمینه انعکاس رفتار فشاري، کششی و برشی میباشد.
سایز المانها نیز در قسمت هاي نزدیک به شمع ها به دلیل حساس بودن نتایج در آن نقاط کوچکتر (0.2m) در نظر گرفته شد و در قسمتهاي کناري مدل از المانهاي درشتتر (3m) استفاده گردید. در راستاي قائم نیز سایز المان ها یکسان و به مقدار 0.5m در نظر گرفته شد. (شکل (3
شکل -2 مدل هندسی شامل دال، شمع، لایه میانی و توده شکل -3 نحوه و سایز شبکه بندي مدل ها (در محل هاي نزدیک
خاك (ربع مدل) به شمع ریزتر می باشد.)
-5-2 بارگذاري و شرایط مرزي
براي ایجاد حالت تنش در سیستم خاك - شمع در شرایط حقیقی برجا، استفاده از شرایط بارگذاري اولیه قبل از اعمال بار به مدل الزامی است. این تنش ها در راستاي قائم همان تنش هاي ژئواستاتیکی می باشند که با اعمال نیروي شتاب ثقل در جهت پایین براي ایجاد حالت تنش افزاینده با عمق به مدل اعمال می شوند. در راستاي افقی نیز فشار افزاینده خطی با عمق به اطراف مدل اعمال شده تا تنش هاي افقی حقیقی را شبیه سازي کند. ضریب فشار جانبی خاك مورد استفاده در این تحقیق برابر با k0=0.65 می باشد که در بسیاري از شرایط زمین شناسی برقرار است. [7]
بارگذاري مدل هل به مقدار 500KN و به صورت قائم و با شدت یکنواخت روي دال در نظر گرفته شد و براي دریافت نتایج در هر جزء زمانی اعمال بار، این مقدار به صورت جزئی 5KN در هر افزایش زمانی اعمال گردید. در مطالعه حاضر براي تسریع در فرایند تحلیل و به دلیل تقارن کلیه مدل ها در دو راستاي X و Y از تکنیک ساخت ربع مدل استفاده گردید به
4
