بخشی از مقاله
خلاصه
به منظور بررسی رفتار مجاري مدفون در ترانشه تحت اثر وزن خاکریز و مطالعه مقادیر فشار وارده بر مجرا با استفاده از مدل فیزیکی، نیاز به انجام آزمایشهایی در مقیاس کوچک بوده تا بتوان با استفاده از نتایج بهدستآمده رفتار مجراي مدفون را بهصورت مناسب مورد ارزیابی قرار داد. لذا اولین گام در این راستا طراحی جعبه اي با ویژگیهاي مناسب بوده بهنحويکه بتوان شرایط موجود در محل را بهصورت مناسب شبیهسازي نمود.
در این مقاله، به منظور طراحی و ساخت چنین جعبهاي اقدا م به انجام تحلیلهاي عددي گردیده و با توجه به پارامترهاي تأثیرگذار بر مقدار تنش در اعماق مختلف، ابعاد و ویژگیهاي اصطکاکی و تغییرشکلی جعبه مورد نظر به دست آمده است. تحلیل ها به صورت سهبعدي و با استفاده از نرمافزار اجزاء محدود انجام گرفته است. نتایج حاکی از آن است که طول جعبه و مشخصات اصطکاکی دیوارهها عوامل مهمی در انتخاب ابعاد جعبه بوده و در طراحی جعبه میبایستی موردتوجه قرار گیرند.
.1 مقدمه
یکی از مسائل مهم در مهندسی ژئوتکنیک بررسی رفتار مجاري مدفون در خاك میباشد که در دهههاي اخیر مورد توجه فراوان بوده است. مطالعات در این زمینه به صورت عددي [1-3]، مطالعات در محل [4-6] و به صورت آزمایشگاهی [7-9]انجام گرفته است. در این میان مطالعات عددي بهخوبی نتوانسته که شرایط و وضعیت تنش در محل را ارائه نماید. [11 ,10] همچنین انجام مطالعات در مقیاس واقعی نیاز به فضاي بزرگ و صرف هزینه زیاد داشته و انجام چنین مطالعاتی به منظور دستیابی به نتیجهاي مطلوب نیاز به تعدادنسبتاً زیادي آزمایش دارد، نیاز به انجام این آزمایشها در مقیاس کوچک مشخص میباشد .
به این منظور محققین جعبههاي آزمایشی با ابعاد و مشخصات گوناگون ایجاد نموده و رفتار مجاري مدفون را موردبررسی قرار دادند .[12-14] بااینوجود براي طراحی این جعبهها و چگونگی انتخاب ابعاد آنﻫﺎ معیار و الگوي مشخصی وجود نداشته و ابعاد جعبه ها به صورت تقریبی و بر اساس تجربه انجام گرفته و مطالعهاي دراینارتباط انجام نگرفته است.
این در حالی است که با توجه به طول زیاد آبراهههاي مدفون، نیاز به طراحی جعبه اي بوده که علاوه بر حفظ شرایط کرنش مسطح، بتواند هدف از انجام مطالعات مورد نظر به منظور بررسی رفتار مجاري مدفون در ترانشه تحت سربار را شبیهسازي نماید. لذا در این مقاله تنها به تعیین و محاسبه ابعاد و مشخصات اصطکاکی دیوارههاي جعبه پرداخته شده و بررسی رفتار لوله مدفون مورد توجه نبوده است. این در حالی است که عرض جعبه مورد توجه نبوده است و اندازه عرض جعبه با توجه به تعریف ترانشه توسط محقق تعیین میشود.
.2 مشخصات مدل مبنا
به منظور انجام مطالعات پارامتریک و تعیین ابعاد مناسب براي جعبه مورد نظر، ابتدا مدلی سهبعدي با هندسه و مشخصات معلوم شبیهسازي گردیده و تأثیر سایر پارامترها نسبت به آن سنجیده شده است. در این مدل عرض، طول و ارتفاع جعبه به ترتیب برابر 50، 100 و 100 سانتیمتر انتخاب شده و به دلیل وجود دو محور تقارن متعامد در جعبه ، تنها یک چهارم آن مدل گردیده و دیواره جعبه به منظور اجتناب از اثرگذاري تغییرشکل آن بر وضعیت تنش خاك درون جعبه به صورت صلب و مصالح خاکی با مشخصات ذکر شده در جدول 1 که مربوط به ماسه با تراکم متوسط بوده و با بهره-گیري از مدل رفتاري الاستو-پلاستیک موهرکولمب شبیهسازي گردیده است.
بهعنوان سربار، فشاري برابر 100 کیلو پاسکال بر سطح خاك وارد میآید که معادل با خاکریزي به ارتفاع تقریبی 5 متر میباشد - با فرض دانسیته برابر 20 کیلونیوتن بر مترمکعب - . چگونگی مش بندي پس از انجام تحلیلهاي مختلف با اندازه المانهاي مختلف و همچنین انواع مختلف المان بهدستآمده و در شکل 1، نشان دادهشده است. توجه گردد که ارتفاع جعبه 5 سانتی متر بلندتر از ارتفاع خاكریز در نظر گرفتهشده است.
ضریب اصطکاك سطح مشترك خاك و جعبه برابر tan - 0.9φ - و بر اساس مشخصات اصطکاکی بین خاك و فلز با سطح زبر در نظر گرفتهشده [15] که در آن φ مقدار زاویه اصطکاك داخلی خاك میباشد . در این مطالعه از آنجائی که نیاز داریم ابعاد و شرایط جعبه تا جاي ممکن نزدیک به شرایط واقعی و دوبعدي باشد و شرایط مرزي بر روي مقادیر تنش در وسط مجرا تأثیر مهمی نداشته باشد؛ بنابراین مقدار ضریب اصطکاك را براي دیوارههاي جلوئی و عقبی برابر صفر در نظر گرفته و این مدل را به عنوان مدل مبنا درنظر میگیریم و نتایج سایر تحلیلها را با آن مقایسه میکنیم. اما کماکان ضریب اصطکاك دیوارههاي جانبی برابر 0/6 درنظر گرفته میشود که بیانگر زاویه بین خاکریز و فلز زبر میباشد.
الف - دیواره صلب جعبه
ب - خاك درون جعبه
نتایج تحلیلها، الگوي توزیع تنش افقی و ﻗﺎﺋﻢ را در خاك درون جعبه همانند شکل 2 ارائه میدهد. در این شکلها بهوضوح تأثیر اصطکاك و پدیده قوس در توزیع تنش مشخص میباشد به صورتی که در دیواره جعبه مقدار تنش قائم در یک سطح افقی، نسبت به محور مرکزي کمتر بوده که حکایت از تأثیر اصطکاك دیواره در این موضوع دارد. این در حالی است که با توجه به در نظر نگرفتن اصطکاك در مدل مبنا در دیوارههاي انتهائی، مقدار تنش نسبت به محور مرکزي اختلافی ندارد.
شکل 3 ، تغییرات تنش افقی همراه با عمق را بر روي محور مرکزي مدل خاك نشان میدهد. همانگونه که در این شکل مشخص است با اﻓﺰاﯾﺶ عمق، مقدار تنش قائم و افقی هر دو دچار کاهش میگردد، بهگونهاي که مقدار فشار از 100 کیلوپاسکال روي سطح خاك به حدود 33/8 کیلوپاسکال در کف جعبه یعنی حدود یک سوم کاهش یافته است که این اتفاق به دلیل تأثیر پدیده قوسزدگی در درون جعبه میباشد.
الف - تنش قائم
ب - تنش افقی
از آنجائی که در مدل فیزیکی تمامی وجوه از یک جنس انتخاب میشوند از ضریب اصطکاك 0/6 از این پس در تحلیل مدلها براي وجوه عقبی و جلوئی علاوه بر وجوه کناري استفاده میشود تا بیانگر واقعیت بوده و بتوان با شرایط مطلوب - دوبعدي - مقایسه نمود و ابعاد موردنظر را به دست آورد. به این معنی که ضریب اصطکاك 0/6 براي وجوه کناري در ادامه تحلیلها لحاظ شده است.
.3 تأثیر طول جعبه
براي تعیین طول جعبه - در راستاي طول مجرا - ، جعبههاي با طول مختلف مدل سازي شده و نتایج با مدل مبنا که در آن ضریب اصطکاك بین خاك و دیواره انتهائی صفر منظور شده بود مقایسه میگردد. شکل 4 ، نتایج حاصل از تحلیلها و مقایسه آن با مدل مبنا را نشان میدهد. در این شکل S11 و S22 به ترتیب بیانگر تنش افقی و قائم و علامت منفی نشاندهنده فشاري بودن تنش میباشد.
مشاهده میشود که اختلاف بین تنش قائم براي جعبههاي مختلف در امتداد محور مرکزي، نسبت به تنش افقی در محدوده وسیعتري قرار دارد و در مورد تنش قائم این اختلاف در کف جعبه بیشتر میباشد در صورتی که در مورد تنش افقی این اختلاف در میانه عمق بیشتر میباشد . مقدار این اختلاف در مورد تنش قائم و در کف جعبه نسبت به مدل مبنا براي جعبه با طول 80، 100، 125 ، و 150 سانتیمتر به ترتیب برابر 22، 15، 8 ، و 4 درصد میباشد.
