بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی پوشش بتنی تونل هاي تحت فشار نفوذپذیر با استفاده از
نرم افزار Schleiss 2005
چکیده
استفاده از سازه هاي بتن مسلح شاید مرسوم ترین روش در طراحی سازه هاي نگهدارنده تونلهاي تحت فشار باشد.در این روش شناخت رفتار پوششهاي بتنی و اندر کنش بین توده سنگ و بتن و نیز تاثیر فشارهاي داخلی بر روي پوسته بتنی و توده سنگ بسیار حائز اهمیت می باشد.جهت طراحی پوششهاي بتنی تحت فشار، فرضیات متعددي براي مدلسازي رفتاري بتن و توده سنگ اطراف تونل وجود دارد. پرفسور اشلایس، روشی را بر مبناي ترك دار بودن بتن وپذیرفتن جریان منفذي در بتن و توده سنگ ارائه نموده است. با توجه به این روش، توده سنگ اطراف تونل تحت ،توسط جریان منفذي تحت بارگذاري قرار می گیرد و در نهایت از توده سنگ بعنوان عاملی جهت تحمل بخشی از فشارهاي درونی تونل استفاده می شود. در این مقاله با عنایت به روش پرفسور اشلایس، نرم افزاري به زبان Visual Basic توسط نویسنده مقاله تهیه شده است که با توجه به خصوصیات توده سنگ، میزان نفوذپذیري توده سنگ و مقاطع مختلف آرماتورها، قادر است که عرض و فاصله ترکها و نیز میزان نشت آب از طریق پوسته بتنی و نیز تنشها را در آرماتورها در شرایط مختلف محاسبه نماید.
کلمات کلیدي: بتن مسلح، فشار آب داخلی و خارجی، پوشش بتنی، جریان منفذي، نفوذپذیري
-1 مقدمه
تونلها و چاههاي تحت فشار، مجاري حفر شدهاي هستند که عموما آب را تحت فـشار منتقـل مـیکننـد. ایـن مجـاري ممکن است بدون پوشش، با پوشش بتنی و فولادي و یا دیگر سیستمهاي پوششی نگهداري شوند و عموما در ارتباط با نیروگاههاي برق ـ آبی احداث می شوند.
در بررسی هاي به عمل آمده برروي سازه هاي تحت فشار ، مشخص شده است که درصـد قابـل تـوجهی از خـسارات ، ناشی از نشت به همراه برآمدگی هیدرولیکی توده سنگ تغییرشکل پذیر با ویژگی هاي زمین شناسی خاص و قابلیـت هدایت هیدرولیکی بالا بوده است . دسته دیگري از حوادث شامل تخریب توده سنگ عمدتاً در اثر افت ها((losses و
نا پایداري بر اثر انحلال و فرسایش بوده است . حوادث دیگري نظیر کمانش پوشش فولادي در اثر فشار آب خارجی یـا فشار تزریق و یا اندر کنش زمین مشاهده شده است . در اکثر موارد ، مشکلات فوق الذکر در آبراهه هاي بدون پوشـش و یا با پوشش بتنی اتفاق افتاده است.[1]
اگر چه تئوري نفوذ آب زیرزمینی یک تئوري جدید نیست، ولیکن این تئوري در طراحی پوشش تونلهـاي تحـت فـشار توسط پروفسور اشلایس در طول سالهاي 1986 تا 1989 و بعد از سالها مورد استفاده قرار گرفت.
پیشرفتهاي تکنولوژیکی اخیر در تونلسازي همزمان با انقلاب نرم افزاري ، امروزه باعث توجه گسترده مهندسان به ایـن بخش گشته است. نرم افزاري که در این مقاله معرفی می گردد، ابزاري دقیق براي طراحی پوشش بتن مسلح تونلهـاي تحت فشار آب با توجه به مشخصات توده سنگ، میزان نفوذپذیري و مقاطع مختلف آرماتورها می باشد. این نرم افزار به زبان Visual Basic نوشته شده و براي تونلهاي تحت فشار آب داخلی و خارجی تعمیم داده شده است.
-2 معرفی تئوري اشلایس
-1-2 طراحی پوشش بتنی تونلهاي تحت فشار آب داخلی
از نظر پروفسور اشلایس (Schleiss) همه آبراهه هاي تحت فشار بدون پوشـش نفوذناپـذیر، منبـع نـشت محـسوب می شوند، لذا پوشش شاتکریت ، بتن مسلح و غیر مسلح را، حتی قبل از آنکه در اثر انقباض یا فشار آب درونـی تـرك بردارند ، باید نفوذپذیر در نظر گرفت. تـور سـیمی و یـا تـسلیح فـولادي از توسـعه ترکهـا جلـوگیري خواهنـد کـرد و نفوذپذیري این پوشش ها را کاهش می دهد. اما اگر پوشش نفوذپذیري بیشتري نسبت به توده سـنگ اطـراف داشـته باشد، کمترین مقاومت در برابر نشت وجود خواهد داشت و به سرعت تمامی فشارهاي داخلی به توده سنگ وارد خواهد شد.[2]
شکل -1 پوشش بتن مسلح ترك خورده[2]
-1-1-2 مدل محاسباتی و فرضیات
از نظر استاتیکی و هیدرولیکی ، سه منطقه ( زون ) زیر ، باید به طور جداگانه مورد مطالعه قرار گیرند ( شکل :( 1
Ó آستر ترك خورده ؛
Ó توده سنگ تأثیر پذیر از جریان نفوذي ؛
Ó توده سنگ تأثیر ناپذیر از جریان نفوذي ؛
هم تغییر شکل و هم نفوذ پذیري آستر بتنی ترك خورده بستگی به درصد آرماتور مقطع دارند . با رفتار تقارن محوري که زون هاي اطراف تونل ازخود نشان می دهند ، متد محاسباتی بر طبق فرضیات زیر بنا می شود : [3]
تغییر شکل پذیري و نفوذ پذیري توده سنگ به صورت ایزوتروپیک و همگـن اسـت . تنهـا رفتـار الاسـتیکی سنگ ، تحت فشارآب داخلی موردمطالعه قرارمی گیرند.
نفوذ فقط در طول ترك ها اتفاق می افتد و نفوذ پذیري بتن بین ترك ها نادیده گرفته می شود.
با توجه به تقسیم بار در طول آستر بتنی مسلح و توده سنگ ، تسلیح با یک ضخامت متوسطی از پوسته فولادي مـدل می شود . الگوي تنش در تسلیح میان دو ترك سهموي شکل فرض می شود. [ Birkenmaier,1978] سطح تنش در میله هاي فولادي میان هر دو ترك ، که در بخش ترك نخورده است ، متاثر از پیشینه ترك دار شدن است( شکل 2 ).
اثر بارگذاري کامل فشار نفوذي (η 100%) در آستر بتنی ترك خورده و در تـوده سـنگ فـرض مـی
شود . [ schleiss 1986 ] براي تعیین بار وارده به هر یک از 3 زون ، تنش هاي مکانیکی و فـشار آب در
مرزهاي آن ها بایستی شناخته شوند . فشار آب مجهول از شرایط پیوستگی ناشی می شود وهمچنین تنش هاي مرزي را می توان به وسیله شرایط سازگاري تعیین کرد .
شکل -2 توسعه ترکها و توزیع تنشها در میله هاي فولادي [2]
-2-1-2 ترك گذاري اولیه در آستر
به محض اینکه تنش هاي مماسی در بتن از مقاومت کششی آن تجاوز کند ، آستر ترك خواهد خورد . با فرض وجود نیروهاي ناشی از جریانهاي نفوذي ، ماکزیمم تنش هاي مماسی در آستر بتنی ترك خورده به خاطر فشار آب داخلی به وسیله فرمولی که توسط[ Schleiss 1985 ] ارائه شده بیان می شود :
اگر تونل یا چاه در بالاي سطح ایستایی آب زیر زمینی است ، فشار آب روي مرز خارجی آستر در نتیجه نفوذ ، از
فرمول زیر محاسبه می شود :
فشار مرزي بین بتن و سنگ توسط Schleiss در سال 1986 ارائه شده است :
شرط تشکیل ترك هاي اولیه عبارت است از :
σ max βz
با قرار دادن ) Pa ρw .g.b حضور آب زیر زمینی) یا Pa مطابق معادله ) (2) عدم حضور آب زیرزمینی)، فشار مرزي
PF (ra) مطابق معادله ( 3 ) ،و فشار داخلی بحرانی Pcrit با استفاده از معادله 4) )، محاسبه می گردند. در مورد یک تونل در زیر سطح آب زیر زمینی ، معادله ( 4) فشار داخلی مؤثري که از فشار خارجی آب زیر زمینـی تجـاوز کـرده را بدست می دهد . بنا براین فشار ترك دار شدن برابر Pcrit + ρw.g.b خواهد شد .
-3-1-2 افت جریان نفوذي در طول آستر بتنی ترك خورده
با فرض جریان آرام و موازي در ترك ها و همچنین دانستن عرض ترك ها ، افت هاي آب میان آستر بتنی ترك خورده را می توان با استفاده از معادله زیر محاسبه کرد : [2]
-4-1-2 افت جریان نفوذي در میان توده سنگ
افت جریان نفوذي آب بدرون توده سنگ براي موارد مختلف ( شکل3 )، به وسیله معادلات زیر به دست می آیند:
Ó براي یک تونل زیر سطح ایستایی آب زیر زمینی : [ Rat 1973 ; schleiss 1985 ]
اگر سطح ایستایی در اطراف چاه نداشته باشیم ، در معادله فوق باید b = 0 قرار دهیم . براي یک آسـتر بتنـی تـرك خورده، وسعت جریان نفوذي را می توان بدین صورت فرض کرد که در مورد سنگ نـسبتاً نفـوذ پـذیر R = 10ra ( k r ≥ 100 K c ) و در مورد سنگ سخت R = 100ra و . K r ≤ K c
تغییر شکل تسلیح
تغییر شکل محوري تسلیح (Reinforcement) را می توان از فشار آن به صورت زیر به دست آورد :
که مؤلفه نیرو در بخش ترك خورده Z σ s2 .As است . تنش توزیع شده در فولاد عبارت است از :
(٨)
با اعمال فاکتور کاهش m ، مشاهده می شود که فشار ε s و تنش فولاد σ s در تسلیح ثابت نیستند ، بلکـه یـک
توزیع سهمی شکل دارند و به پیشینه ترك دار شدن بستگی دارد . ( شکل . ( 2 فاکتور m نیز بایستی مطابق تـوالی تشکیل ترك ها انتخاب شود :
• اولین سري ترك ها : 1 m 13
( میانگین تنش فولاد: ( −σ s 2 (σ 3 s1 ≈σ m (σ
s1
• دومین سري ترك ها : m 2 3
• سومین سري ترك ها m 5 6
• n امین سري ترك ها : m = 1
با فرض وجود فشار آب در ترك ها ، تنش محوري آسـتر بتنـی تـرك خـورده نفـوذ پـذیر در تـسلیح عبـارت اسـت از
: [shleiss1986 ]
