بخشی از مقاله
خلاصه
در سالهای اخیر استفاده از گروه شمعها به صورت ترکیب با پی رادیه به دلیل عملکردشان در کنترل و کاهش نشستها و افزایش ظرفیت باربری پی گسترشیافته و صرفهجویی اقتصادی نیز داشتهاند. یکی از مباحث مهمی که در طراحی شمعهای این سیستم ترکیبی مطرح است اجرای آن در خاکهای مسئلهدار ازجمله خاکهای ماسهای اشباع و در نتیجه آن بحث احتمال وقوع روانگرایی خاک تحت بارهای لرزهای میباشد.
در این نوع خاکها تحت بارهای لرزهای مقاومت برشی خاک کاهش ناگهانی یافته، خاک روانگرا شده و تغییر شکلهای قابلتوجهی مییابد و در نتیجه آن نیروهای مخربی به شمع های مورد استفاده در سیستم پی شمع وارد میآید. در این مقاله با استفاده از روش تحلیل عددی به بررسی عملکرد سیستم پیشمع در خاکهای مستعد روانگرایی تحت بارهای لرزهای پرداخته و تأثیر شمعها در پتانسیل تغییر شکلهای حجمی خاک و در نتیجه تغییر پتانسیل روانگرایی آن بررسی میشود.
1. مقدمه
یکی از مهمترین علل بروز خسارت و خرابیها به هنگام زلزله، روانگرایی خاکهای ماسهای سست و اشباع میباشد. به این منظور در بسیاری از پروژه ها از پیهای عمیق برای عبور از لایه ی روانگرا - یا لایهای که پتانسیل روانگرا شدن دارد - و اتکای پی سازه به لایه ی قوی زیرین استفاده میشود. تا به حال روشهای مختلف آنالیز و طراحی برای ارزیابی ظرفیت باربری قائم شمعها در حین زلزله ارائه شده است.
کاربرد این روشها در حالتی که شمع در خاکهای دارای پتانسیل روانگرایی باشد، ممکن است منجر به نتایج درستی نشود و در این موارد تأثیر روانگرا شدن خاکهای با پتانسیل روانگرایی نیز بایستی در آنالیز مورد توجه قرار گیرد. نحوهی عملکرد شمعها در هنگام وقوع زلزله یکی از عوامل اصلی تأثیرگذار بر پاسخ لرزهای سازهها میباشد. رفتار شمع در خاک روانگرا با مفاهیم اندرکنش خاک -شمع، مکانیزمهای گسیختگی و پاسخ شمع سروکار دارد و در مناطق لرزهخیز به شدت متأثر از روانگرایی خاک میباشد.
عملکرد شمعها در خاکهای روانگرا بسیار پیچیدهتر از عملکرد شمعها در خاکهای غیر روانگرا است زیرا در این حالت، شمع علاوه بر سازه از طرف خاک نیز تحت بارهای دینامیکی متفاوتی قرارگرفته، مقاومت و سختی خاک در طول زمان در اثر رفتار غیرخطی خاک و افزایش فشار آب حفرهای، کاهش مییابد. در این شرایط شمعها به شدت مستعد ترکخوردگی و حتی گسیختگی میباشند. اهمیت تأثیر روانگرایی روی شمعها را میتوان بر آسیبهای به وجود آمده در آنها در زلزلههای گذشته مشاهده نمود. در زلزله Niigata - 1964 - برای اولین بار، خرابیهای ناشی از روانگرایی خاک مورد توجه محققین قرار گرفت. در زلزلههایی همچون زلزله Alaska - 1964 - ، Loma-Prieta - 1989 - ، Hyogoken-Nambu - 1995 - و Bhuj - 2001 - تأثیر آشکار روانگرایی خاک بر تشدید خرابی شمعها مشاهده شده است.
در مورد اثر گروه شمعها بر پتانسیل روانگرایی خاکها در دههی اخیر کارهایی با توجه به تحقیقات پیشین که زمینه را برای ورود به این بحث باز کردند صورت گرفته است برای نمونه [1] Kagawa مطالعه پارامتریکی را بر روی تأثیر خاکهای متفاوت و شرایط بارگذاری بر روی یک شمع منفرد در خاک روانگرا انجام داد، [2] Klar et al به مطالعه پارامتریک اثر ویژگیهای جریان روی اندرکنش شمع منفرد پرداخت. [3] Kagawa et al از آزمایشهای میز لرزه به این نتیجه رسیدند که فشار حفرهای اضافی به طور قابلتوجهی بهوسیله باز توزیع و اتلاف تحت تأثیر قرار میگیرد و به نوبه خود روی پاسخ سیستم شمع- خاک اثر میگذارد.
نتایج تجربی [3] Kagawa et al در اکثر موارد نشان داد که فشار آب حفرهای اضافی بین شمعها بیشتر از همان مقدار در خارج فضای بین شمعهاست، آنها پیشنهاد دادند این نتیجه - عدم اتلاف فشار آب حفرهای اضافی - ناشی از آن است که شمعها عمل زهکشی را کاهش میدهند. از سویی دیگر [4] Sakajo et al آزمایش میزلرزهای روی یک گروه 36 تایی شمع انجام دادند و نشان دادند که وجود گروه شمع مقادیر فشار حفرهای را در مقایسه باحالتی که گروه شمع استفاده نشده کاهش خواهد داد که این تا حدودی با مشاهدات قبل متناقض بود و سرآغاز این پرسش بود که آیا یک سیستم شمع با پیکربندی خاص میتواند اضافه فشار آب حفرهای را کاهش دهد یا آنکه با ممانعت از زهکشی و عدم اتلاف فشارآبحفرهای اضافی، باعث افزایش آن شده و در نتیجه پتانسیل روانگرایی را بیشتر خواهد کرد؟
در پاسخ به این سؤال [5] Klar et al به مطالعه عددی گروهی شمعهای نامحدود در خاک روانگرا پرداختند و مشاهده کردند که یک فاصله بهینه شمع موجب حداقل شدن فشار حفرهای اضافی میشود. همچنین نتیجه شد که یک پیکربندی و شکل معین از گروه شمع پتانسیل روانگرایی را نسبت به حالتی که شمعها حضور ندارند کاهش میدهد و برای فواصل نزدیک شمعها و فرکانس پایین بارگذاری، فاصله شمعها اثر کمی روی پاسخ سازه فوقانی دارد.
با تمام این توصیفات دیده میشود بررسی اثر سیستم پی شمع بر پتانسیل روانگرایی خاکها نیازمند تحقیقات جامع تری تحت شرایط مختلف است تا بتوان قضاوت درستی در رابطه با آن داشت. در تحقیق حاضر، سعی شده است با بکارگیری یک مدل رفتاری مناسب خاک موجود در نرمافزار تفاضل محدود FLAC که رفتار سیکلی خاک را در حالت روانگرایی بهصورت نسبتأ ساده مدل میکند، اثرات استفاده از پیهای شمعی در خاکهای مستعد روانگرایی بر تغییر شکلهای حجمی خاک و در نتیجه پتانسیل روانگرایی خاک محل مورد بررسی قرار میگیرد.
2. نحوه مدلسازی سیستم سازه-شمع-خاک:
برای مدلسازی سیستم سازه-شمع-خاک از برنامه FLAC2D که مبتنی بر روش عددی تفاضل محدود میباشد استفاده شده است. در FLAC محیط مدلسازی شده از سوی کاربر به یک شبکه ناحیه بندی چهارضلعی تقسیم میشود. در تحلیلهای استاتیکی، مرزهای انتهایی مدل با استفاده از دستور FIX گیردار شده - مرزهای جانبی تکیهگاه غلتکی و بستر تکیهگاه ثابت - و با این روش ویژگیهای تکیهگاه واقع در مرزهای محیط واقعی به شکل قابل قبولی شبیهسازی میشود.
با اینحال در تحلیلهای دینامیکی مرزهای گیردار موجب انعکاس امواج ارتعاشی شده و استهلاک انرژی مانند آنچه در حالت واقعی رخ میدهد، اتفاق نمیافتد لذا از مرزههای آزاد مطابق شکل 1 برای مرزهای جانبی محیط استفاده میشود، از طرفی با توجه به این که مقادیری از انرژی نیز در مصالح اتلاف خواهد شد میرایی رایلی وابسته به جرم و سختی برای مصالح خاک و سازه لحاظ میگردد. شمعها و رادیه با استفاده از المانهای سازه شمع و تیر موجود در برنامه مدل شده و بارهای وارده از سازه فوقانی به صورت بار متمرکز و فشار بر آنها اعمال میشود
بهطورکلی تحلیل دینامیکی مدل ساختهشده در سه مرحله انجام میگیرد: در مرحله اول، المان های خاک تحت بار استاتیکی قرار داده میشوند تا شرایط طبیعی زمین - تنشهای اولیه - به وجود آید. مقادیر بدست آمده بهعنوان مقادیر اولیه برای آنالیز مرحله دوم مورد استفاده قرار خواهد گرفت. در مرحله دوم المانهای شمع، المانهای رادیه همراه با مقادیر پارامترهای سطح تماس این المانها در داخل محیط خاک - Interface - تعریف میشوند و با اعمال بار استاتیکی - بار سازه، بار جانبی و ... - آنالیز استاتیکی دوباره انجام میشود و بالاخره، در مرحله سوم کل مجموعه تحت بارهای دینامیکی قرار میگیرد
شکل - 1 مدلسازی برای تحلیل لرزهای سازههای سطحی و استفاده از مش بندی منطقه آزاد
3. مدلهای رفتاری بکار رفته
مدل رفتاری الاستوپلاستیک موهر-کولمب بهمنظور نشان دادن رفتار غیرخطی خاک استفاده شده است. برای مصالح ژئوتکنیکی و سازهای نسبت میرایی حدود 5 درصد میرایی بحرانی در نظر گرفته شده است.
برای تولید فشار آب حفرهای مدلهای زیادی وجود دارند که برای نمونههای خاصی در آزمایشگاه تهیهشدهاند. این مدلها برای شبیهسازی کامپیوتری کاربرد زیادی ندارند زیرا در برنامههای کامپیوتری مدل باید جامع و کلی باشد. در این تحقیق مدل فین - Finn Model - - که یک مدل از پیش تعریف شده در برنامه بوده و در آن از مدل فشارهای Martin et al یا Byrne به همراه مدل موهر-کولمب استفاده میشود - برای تولید فشار آب حفرهای و بررسی پتانسیل روانگرایی درنظرگرفته شده است
4. صحت سنجی مدل عددی
برای نشان دادن صحت نتایج مدلسازی عددی بکار رفته در این مقاله، نتایج آزمایشهای سنتریفیوژ انجامشده توسط [9] Wilson مورد استفاده قرار گرفته است. این آزمایش در دانشگاه کالیفرنیا در 5 حالت با درصد تراکمهای مختلفی از ماسه نوادا انجام پذیرفته است تا اندرکنشهای سازه-شمع-خاک در خاکهای روانگرا مورد بررسی قرار گیرد.
در این تحقیق نتایج مربوط به گروه شمع و شمع تکی از مدل CSP2 که تحت زلزلهی مقیاس شده Port Island,1995 Kobe با مقدار بیشینهی 0.22g به لرزش در میآید، جهت ارزیابی نتایج مدل عددی بکار گرفته شده است. این زلزله به صورت شتاب بر بستر صلب مدل در جهت محور X و تحت شرایط مرزی متناظر با تحلیل دینامیکی اعمالشده و برای چند نقطه با تاریخچه تغییرات فشار آب حفرهای، شتاب و جابجایی معلوم نتایج مدلسازی عددی و مدل آزمایشگاهی بررسی میشود.
شمعهای مورد استفاده در مقیاس واقعی از جنس لوله آلومینیوم با قطر خارجی 0.667 متر، ضخامت لوله 72.4 میلیمتر و مدول یانگ 70 مگاپاسکال بودند. نیروی اعمالی از طرف سازه بر تک شمعی با طول مدفون و آزاد به ترتیب 16.8 متر و 3.8 متر معادل با 480 کیلو نیوتن بوده که برای گروه شمع بهصورت فشار 95 کیلوپاسکالی بر سطحی مربعی با ابعاد 4.6×4.6 مترمربع لحاظ شده است. در شکل 2 نحوه شبکهبندی آزمایش سانتریفیوژ در برنامه FLAC با المانهای سازهای شمع و رادیه نشان داده شده است.
