بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از روشهای مناسب بهسازی در خاکهای نرم، اجرای ستونهای خردهسنگی میباشد که باعث افزایش ظرفیت باربری و کاهش نشست زمین خواهد شد. استفاده از ستونهای خردهسنگی به طور گسترده در مطالعات محققین بررسی گردیده است. امروزه جهت افزایش باربری ستون خردهسنگی از عناصر تسلیح مثل ژئوگرید نیز مورد استفاده قرار میگیرد.
در این مقاله تحلیل عددی تاثیر افزایش باربری زمین بهسازی شده با ستون خردهسنگی با استفاده از نرمافزار المان محدود Plaxis مورد ارزیابی قرار گرفته است. از اینرو جهت افزایش باربری زمین نرم علاوه بر ستونهای سنگی تک از تاثیر تسلیح آن نیز بهره گرفته شد. بنابراین در مطالعه حاضر تسلیح ستون خردهسنگی به دو صورت قفسه و لایههای ژئوگرید انجام گرفته است. نتایج حاصل از این بررسی نشان داده است که استفاده از قفسه ژئوگرید جهت تسلیح ستون خردهسنگی باربری زمین را بین 23 تا 45 درصد افزایش دهد. در حالیکه با استفاده از لایههای ژئوگرید درصد افزایش باربری بین 11 تا 30 درصد شده است.
1. مقدمه
مهندسین طراح معمولاً برای انتخاب بهینهی نوع شالودهی مورد نیاز و طراحی آن از روند تصمیمگیری مشخصی پیروی میکنند. در این حالت در صورت جوابگو نبودن شالودهی سطحی برای شرایط پروژه، قبل از تصمیمگیری در مورد استفاده از شالودههای عمیق، میبایست روشهای مناسب برای بهسازی خاکهای سست بررسی شوند تا مزایا و معایب هریک از نظر کارایی، مشکلات اجرایی و هزینه با شالودهی عمیق مقایسه شده و در نهایت نسبت به انتخاب گزینهی برتر اقدام نمود. روشهای بهسازی خاک را میتوان از دیدگاههای مختلف طبقهبندی کرد. با توجه به فلسفهی روشهای بهسازی خاک، این روشها به سه گروه کلی تراکم، تثبیت و تسلیح تقسیمبندی میشوند. بهسازی زمین با استفاده از روش تراکم معمولاً اقتصادیتر بوده و امکان متراکم ساختن ذرات برای هر دو خاکهای چسبنده و غیرچسبنده میباشد.
یکی از روشهای تراکمی زمین استفاده از روش بهسازی با ستونهای خردهسنگی میباشد. ستونهای خردهسنگی المانهای استوانهای شکل هستند که مقاومت و سختی خود را توسط محدودیت و محصوریت خاک اطراف بدست میآورند. بدین معنی که تحت اثر بارهای وارده کرنش جانبی در خاک و ستون خردهسنگی ایجاد میشود و مقاومت خاک اصلاح شده با این ستونها، از اندرکنش بین خاک و ستون تامین میشود، که ناشی از کرنش شعاعی ستون و خاک اطراف آن و ایجاد مقاومت مقاوم در ستون میباشد. بهسازی زمین با ستونهای خردهسنگی شامل احداث ستونهایی با قطر 0/6 تا 1/2 متر از شن و سنگ شکسته در خاکهای نرم میباشد که نهایتا یک سیستم حفاضتی در جهت قائم برای سازه یا خاکریز فوقانی ایجاد میکند. این روش بهسازی میتواند برشهای افقی یا مایل را تحمل کرده و از طرف دیگر به عنوان زهکش قائم عمل مینماید.
مطالعات متعددی از بهسازی زمین نرم با ستونهای خردهسنگی به صورت آزمایشگاهی، عددی و تحلیلی صورت گرفته است. پورشاسب و مایرهوف در سال 1997 به بررسی تئوری زمین مسلح به ستون خردهسنگی پرداختن و بر این اساس یک نسبت عملکرد به صورت نسبت زمین مسلح به ستون خردهسنگی به نشست زمین قبل از تسلیح را ارائه دادند .
موروگسان و راجاگوپال در سال 2006 یک ارزیابی عددی را بر روی رفتار ستونهای خردهسنگی روکش شده توسط ژئوسنتتیکها انجام دادند. به منظور تعیین میزان بهبود به دست آمده در اثر روکش، آنها مطالعات خود را برای دو حالت ستون خردهسنگی بدون روکش و با روکش ژئوسنتتیک انجام دادند و در این حین اثرات اندازهی ستون خردهسنگی را نیز بررسی کردهاند
آمبیلی و همکارش در سال 2007 یک مطالعهی آزمایشگاهی با جزئیات زیاد بر روی رفتار ستون خردهسنگی منفرد و گروه هفت تایی ستونها با تغییر پارامترهایی مانند فاصلهی بین ستونها، مقاومت برشی رس سست، و شرایط بارگذاری انجام دادند. عملیات آزمایشگاهی بر روی یک ستون با قطر 100 میلیمتر که توسط خاک رس با مقاومت مختلف احاطه شده بود انجام گرفته است. زمانیکه سطح ستون خردهسنگی به تنهایی تحت بارگذاری قرار داده میشود، گسیختگی به شکل تورم و در عمقی معادل با 0/5 برابر قطر ستون خردهسنگی اتفاق میافتد
زحمتکش و چوببستی در سال 2010 تاثیر قطر و درصد جابجایی و تراکم خاک در اثر اجرای ستون خردهسنگی بر نشست خاک رسی نرم مسلح به ستون خردهسنگی با استفاده از مدلسازی عددی بررسی کردند، نتایج نشان دادن که با افزایش قطر ستون در یک درصد جابجایی مشخص میزان ضریب کاهش نشست افزایش یافت. همچنین تراکم خاک در اثر اجرای ستون خردهسنگی تاثیر قابل ملاحظهای بر مقدار ضریب کاهش نشست داشته است
آلمیدا و همکاران در سال 2013 عملکرد ستونهای خردهسنگی مسلح با المانهای ژئوسنتتیک را در زمینهای نرم بررسی نمودند. نتایج حاصل از این مطالعه بهبود نشست زمین نرم را نشان داده است .[5] کاسترو و همکاران در سال 2014 تحلیل عددی تاثیرات اجرای ستون خردهسنگی بر کاهش نشست را مورد بررسی قرار دادند
بر اساس بررسیهای انجام گرفته بر روی مطالعات گذشته مشاهده گردید، بهسازی زمینهای نرم با ستونهای خرده سنگی تنها و مسلح شده با قفسههای ژئوسنتتیک بررسی شد. از اینرو در این مقاله تحلیل عددی زمین نرم بهسازی شده با ستون خردهسنگی مسلح در قفسه ژئوگرید و همچنین مسلح شده با لایههای ژئوگرید مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است.
2. مدلسازی عددی
جهت مدلسازی عددی خاک نرم بهسازی شده با ستون خردهسنگی از نرمافزار المان محدود Plaxis استفاده میشود. نرمافزار Plaxis دارای المانهای 15 و 6 گرهی میباشد. المان 15 گرهی المان بسیار دقیقی است که نتایج تنش بهتری برای مسائل مشکل ارائه میدهد، لذا در این تحقیق از المان 15 گرهی استفاده شد. برای تحلیل از مش ریز استفاده شد. در تحقیق حاضر از تنش ناشی از تراکم خاک بعلت اجرای ستون خردهسنگی - تاثیر بر روی مقدار ضریب فشار جانبی - صرفنظر شد.
رفتار الاستوپلاستیک خاک بهسازی شده با معیار گسیختگی موهر - کولمب مدل گردیده است. در شبیه سازی با استفاده از این مدل نیاز به پنج پارامتر شامل مدول الاستیسیته - E - ، نسبت پواسون - - ، زاویه اصطکاک داخلی - - ، چسبندگی خاک - C - و زاویه اتساع خاک - - میباشند. در هندسه مدل ژئوگریدها با رنگ زرد نشان داده میشوند. تنها مشخصه این مصالح فقط مقاومت نرمال الاستیک محوری - EA - میباشد.
همچنین در این پژوهش برای سطوح مشترک بین خاک رسی نرم با ستون خردهسنگی از ژئوگرید از المان سطح مشترک و فاکتور کاهش مقاومت - Rinter - در سطوح مشترک استفاده شد. این کار اندرکنش بین دو مصالح را فراهم میآورد. از اینرو برای خاک رسی و مصالح خردهسنگی به ترتیب ضرائب 0/7 و 0/9 اختصاص داده شد .[7] در فاز محاسبات به منظور شبیهسازی نشست پی در این تحلیل عددی از محاسبه پلاستیک استفاده شد. همچنین در این تحلیل سطح آب در انتهای لایه رسی نرم قرار داده شده است - مصالح خاکی مرطوب در نظر گرفته شدند - .
به منظور بررسی صحت عملکرد نرمافزار، مدلسازی یک نمونه آزمایشگاهی انجام گرفته توسط ناراسیمها و همکاران - 1992 - شبیهسازی و مورد بررسی قرار گرفت .[8] مدل آزمایشگاهی در یک محفظه استوانهای با قطر 650 میلیمتر و ارتفاع 350 میلیمتر برای بستر رسی ساخته شد. ستون خردهسنگی در مرکز بستر و با قطر 25 میلیمتر و ارتفاع 225 میلیمتر ایجاد گردید و با استفاده از یک صفحه صلب با قطری معادل 2 برابر قطر ستون خردهسنگی بارگذاری گردید. در شکل 1 نمونهای از مدلسازی عددی آورده شده است. مشخصات مصالح در جدول 1 آورده شده است.
شکل -1 مدلسازی نمونه آزمایشگاهی
شکل -2 مقایسه نتایج آزمایشگاهی و عددی
جدول -1 مشخصات مصالح
3. صحت سنجی
نتایج حاصل از صحت سنجی در شکل 2 نشان داده شده است. همانگونه که ملاحظه میگردد نتیجه مربوط به مدلسازی عددی انطباق خوبی با نتیجه آزمایشگاهی را نشان میدهد. حال جهت توسعه و بررسی پارامترهای مورد نظر از مدلسازی عددی این نمونه آزمایشگاهی استفاده گردیده است که در ادامه نتایج حاصل از آن ارائه شد. از اینرو جهت افزایش باربری زمین نرم از قفسه و ورقههای ژئوگرید برای مسلح کردن ستون خردهسنگی استفاده گردیده است.
4. تسلیح با قفسه ژئوگرید
با توجه به شکل 2، نتایج مربوط به تحلیل عددی به عنوان نتیجه مدل مرجع در نظر گرفته شده و با بررسی پارامترهایی از قبیل طول قفسه ژئوگرید و سختی آن، بهبود نتایج حاصل مورد ارزیابی قرار گرفته است. در این بررسی از سه نوع ژئوگرید استفاده گردید.
مشخصات ژئوگرید در جدول 2 ارائه شده که براساس ژئوگریدهای مصرفی در مطالعات آزمایشگاهی اتخاذ گردیده است. شکل 3 و 4 تاثیر قفسه ژئوگرید به طول 0.5L و L - L ارتفاع ستون - را نمایش داده است. همانگونه که ملاحظه میگردد، استفاده از قفسه ژئوگرید باعث افزایش باربری ستون خردهسنگی شده است. همچنین در این اشکال ملاحظه میگردد که با افزایش سختی ژئوگرید - EA - ظرفیت باربری ستون خردهسنگی نیز روند افزایشی داشته است.
