بخشی از مقاله
.1 مقدمه
استفاده از مدلسازي فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک با توجه به وجود عدم قطعیت بالا و عدم تعیین مسیر رفتاري مشخص در بسیاري از پدیدهها و همچنین وسیع بودن و هزینهبر بودن پروژههاي مورداجرا هم چنان یک امر ضروري محسوب میشود. از طرفی استفاده از یک محفظه مناسب بهعنوان شرایط مرزي مصنوعی حاکم بر مدل مورد آزمایش، یکی از مهمترین مراحل مدلسازي فیزیکی رفتار خاكها، بهخصوص تحت اثر بار لرزهاي است.
محفظههاي موجود در حالت کلی به دودسته محفظه صلب و انعطافپذیر تقسیمشده که توانایی شبیهسازي شرایط مرزي مصنوعی بهصورت صلب و انعطافپذیر رادارند. هدف اصلی از طراحی و ساخت این محفظه، توسعه شرایط مرزي انعطافپذیر بوده بهنوعی که شرایط تحمیلی ناشی از وجود محفظه بهعنوان مرز مصنوعی در مدلسازي فیزیکی کمترین اثر را بر روي نتایج حاصل از آزمایش مدل داشته باشد. روشهاي متعددي ازجمله آزمایشهاي المان، آزمایشهاي برجا و مدلهاي عددي و مفهومی وجود دارند که میتوانند جهت بررسی پدیدههاي ژئوتکنیکی مورداستفاده قرار بگیرند.
اما با درنظر گرفتن شرایط اقتصادي حاکم بر طرح، استفاده از مدلهاي مقیاس شده نیز میتواند یکی از راههاي رسیدن به این هدف باشد. در مقایسه با آزمایشهاي المان، آزمایشهاي مدل سعی در بررسی رفتار یک پدیده تحت بارهاي سیکلی با توجه به شرایط مرزي اعمالی و با استفاده از یک مدل مقیاس شده از یک نمونه واقعی دارند. هدف از انجام این نوع آزمایشها در حالت کلی شامل بررسی یک پدیده خاص، مطالعه پارامتریک و یا ارزیابی روشهاي عددي و تجربی موجود است.
در حالت کلی، آزمایشهاي مدل به دودسته آزمایشهاي مدل با استفاده از میزلرزان در محیط 1-g و آزمایشهاي مدل با استفاده از سانتریفیوژ در محیط N-g تقسیم میشوند. استفاده از آزمایشهاي مدل با میزلرزان یکی از روشهاي رایج در بررسی پدیدههاي ژئوتکنیک لرزهاي است اما بااینوجود با توجه به قوانین تشابه حاکم و همچنین اثرات شرایط مرزي این روش نیز پیچیدگیهاي خاص خود را دارد.
.2 کلیات
یکی از مهمترین ملاحظات مدلسازي فیزیکی استفاده از محفظه ها است. قشر خاك در زمین یا زیر یک سازه در راستاي جانبی بینهایت است درحالیکه آزمایش مدل ابعادي متناهی دارد. بنابراین چالش اصلی جانشینی شرایط مرزي زمین در یک محفظه با ابعاد متناهی است. درواقع وجود محفظه سبب تحمیل شرایط مرزي به مدل میشود که این شرایط در نمونه اصلی وجود ندارد.
در شکل -1الف الگوي تغییرشکل خاك در راستاي لایههاي خاك مشاهده میشود. نحوه تغییرشکل به فرضی که براي تغییرات مدول برشی با عمق در نظر گرفته میشود، بستگی دارد. اگر فرض کنیم که مقدار جابجایی در کلیه نقاط یک صفحه افقی مشخص ثابت است ولی دامنه جابجایی با عمق تغییر میکند، میتوان ستون خاك را بهصورت یک تیر برشی مدل کرد. تفاوت بین مدل تیر برشی با مدل تیر اویلر - برنولی نیز در شکل -1 ب نشان دادهشده است.[2]
شکل – 1 الف: لایههاي خاك در محیطی با امتداد عرضی بینهایت و عمق متناهی تحت تاثیر لرزش سنگبستر ب: تیر برشی و تیر اویلر-برنولی اهمیت شرایط مرزي مدل ها باعث شده است که انواع بسیاري از محفظهها توسط محققین طراحی و مورداستفاده قرار بگیرد. هریک از این محفظهها بسته به ملاحظات طراحی در نظر گرفتهشده داراي مزایا و معایب خاص خود هستند. شکل 2 شماتیک انواع محفظههاي موجود را نشان میدهد.[2] همچنین جدول 1 مقایسه بین انواع محفظهها را نشان میدهد.
استفاده از محفظههاي صلب سادهترین و قدیمیترین روش در مدلسازي فیزیکی ژئوتکنیکی است. مهمترین مشکل این محفظهها انعکاس امواج از مرزهاي صلب و تولید امواج P است. اگرچه با استفاده از مواد جاذب میتوان این مشکل را تا درصد زیادي مرتفع نمود اما در مطالعات بسیاري ازجمله مطالعه پدیدههاي روانگرایی میتواند در پاسخ مساله تاثیرگذار بوده و درنتیجه نتایج حاصل دقت لازم را نداشته باشد. در این صورت استفاده از محفظهها با شرایط مرزي انعطافپذیر میتواند این مشکل را برطرف نماید. در محفظههاي انعطافپذیر سختی دیوارههاي محفظه، بسته به عملکرد محفظه متناسب با سختی توده خاك مدل است.[3]
محفظههاي لایهاي برشی یکی از انواع محفظههاي انعطافپذیر هستند که هم در آزمایشهاي میزلرزان و هم در آزمایشهاي سانتریفیوژ مورداستفاده قرار میگیرند. این نوع محفظهها براي اولین بار توسط کوکو شو در سال 1979 در حین انجام آزمایشهاي مدل با استفاده از میزلرزان بر روي یک توده خاك ماسهاي باضخامت 1 متر مورداستفاده قرارگرفته است. [4]
در سال 1981 ، لمب و ویتمن با استفاده از ایده مشابه، براي مطالعه پدیده روانگرایی با استفاده از سانتریفیوژ دانشگاه کمبریج، از یک محفظه با مقطع دایره شکل استفاده کردند که از تعداد ي رینگ با پوشش تفلون ساختهشده بود. پس از استفاده از محفظههاي دایرهاي شکل توسط محققین ازجمله لمب - 1981 - ، ویتمن و لمب و کاتر - 1981 - و آرولاناندان - 1983 - ، هوشمند در سال 1988 از محفظههاي مستطیل شکل در مطالعات روانگرایی استفاده نمود. هدف از این تغییر اولا افزایش نسبت طول به ارتفاع محفظهها بود که سبب بهبود پاسخ یکبعدي مدل میشد و همچنین کاهش تغییرشکلهاي طرهاي محتمل در محفظههاي دایرهاي شکل بود.[5] پسازآن این نوع محفظهها با توجه به پدیده موردمطالعه توسط بسیاري از محققین مورداستفاده قرار گرفت.
.3 متدولوژي طراحی
معمولترین نوع طراحی این محفظهها شامل یک سري لایه بوده که بر روي یکدیگر مستقرشده و مابین آنها مجموعهاي از بلبرینگها جهت تامین مکانیزم لغزشی قرارگرفتهاند. قانون کلی طراحی محفظه لایهاي برشی به حداقل رساندن سختی جانبی محفظه و درنتیجه حاکم شدن پاسخ خاك به پاسخ کلی سیستم محفظه-خاك است.[2] وجود بلبرینگها در بین لایهها سبب میشود که حرکت جانبی محفظه بهسادگی تحت اثر حرکت لایههاي خاك قرار بگیرد. در جدول 2 مشخصات چند نمونه از محفظههاي لایهاي برشی گزارششده توسط محققین دیگر ارائهشده است.
