بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مروري بر روش هاي طراحي ستون هاي سنگي غير مسلح و مسلح شده با ژئوسينتتيک ها
خلاصه
احداث ستون سنگي يک روش بهسازي خاک براي افزايش ظرفيت باربري يا تقليل نشست خاک زير پي سازه مي باشد. استفاده از ستونهاي سنگي بمنظور اصلاح خواص خاکها به ويژه براي سازه هاي انعطاف پذيري نظير مخازن نفت يا خاکريز راهها رو به افزايش است . ستونهاي سنگي ظرفيت باربري خود را از طريق فشار دور گير ناشي از خاک احاطه کننده اطراف ستون بدست مي آورند. وقتي ستونهاي سنگي در خاکهاي بسيار سست احداث مي شوند، فشار دور گير از طرف خاک مجاور ستونها براي تامين عملکرد آنها کافي نمي باشد. در اينگونه خاکهاي سست براي ايجاد فشار دورگير جانبي مناسب مي توان از يک غلاف ژئوسينتتيک استفاده نمود. در هر صورت هرگاه بمنظور بهسازي خاک در پروژه اي، استفاده از روش احداث ستونهاي سنگي مسلح يا غير مسلح مطرح باشد، يکي از مهمترين عوامل موثر در طراحي و استفاده از اين روش ، محاسبه ظرفيت باربري ستونهاي سنگي است . محققين روش هاي مختلفي را براي محاسبه ظرفيت باربري ستونهاي سنگي پيشنهاد نموده اند. اين تحقيق بر آنست تا شاخص ترين روابط و روش هاي محاسباتي متداول در طراحي ستونهاي سنگي مسلح و غير مسلح را به اختصار ارائه نمايد.
کلمات کليدي: ستون سنگي، ظرفيت باربري، مسلح کننده ژئوسينتتيکي، بهسازي خاک.
.1 مقدمه
تاکنون مطالعات زيادي با استفاده از روشهاي عددي، تحليلي و آزمايشگاهي در مورد بهسازي زمين ها با روش ستونهاي سنگي انجام شده است .
Greenwood در سال ١٩٧٠ يکي از اولين مطالعات در مورد نحوه اجراي ستونهاي سنگي و چگونگي اصلاح زمينهاي سست ماسه اي با استفاده از اين روش را ارائه داد [١]. Van Impeدر سال ١٩٨٩ ايده مسلح کردن ستون هاي سنگي را با ژئوتکستايل مطرح کرد [٢]. در سال ٢٠٠٠ Raithel و Kempfert يک مدل محاسباتي براي پيش بيني رفتار بارگذاري- نشست ستون سنگي مسلح شده با ژئوسينتتيک ها را ارائه دادند[٣]. در سال ٢٠٠٥ Ayadat و Hanna [٤] ، Murugesan و Rajagopal در سال ٢٠١٠ [٥] ، Pulko و همکارانش در سال ٢٠١١ [٦] ، Castro و Sagaseta در سال ٢٠١١ [٧] روش محاسباتي براي طراحي ستونهاي سنگي مسلح ارائه دادند که در آنها تاثير پوشش ژئوسينتتيکي را با در نظر گرفتن فشار دورگير اضافي که در اطراف ستون بوجود مي آيد مدل مي کنند. همچنين Nazari Afshar و Ghazavi در سال ٢٠١٤ [٨] روش محاسباتي ساده اي تنها با داشتن پارامترهاي مقاومت برشي موهر-کولمب براي محاسبه ظرفيت باربري ستون سنگي غير مسلح ارائه نمودند. اين تحقيق بر آنست تا شاخص ترين روابط و روش هاي محاسباتي متداول در طراحي ستونهاي سنگي مسلح و غير مسلح را به اختصار ارائه نمايد.
.2 تحليل و طراحي ستونهاي سنگي غير مسلح
براي محاسبه باربري ستون سنگي، از خاک اطراف ستون بعنوان عامل ايجاد تنش دورگير (σ3) استفاده مي شود. وقتي طول ستون سنگي بيش از D٤ است تحت اثر بار دچار شکم دادگي مي شود و با حرکت جانبي ستون سنگي در خاک اطراف حالت مقاوم بوجود مي آيد. براي ستون سنگي ساخته شده از مصالح دانه اي با زاويه اصطکاک داخلي و فاقد چسبندگي (cs) و فشار دورگير (σ3) ناشي از خاک اطراف ، تنش قائم مجاز (σ1) ناشي از بار اعمالي در سر ستون سنگي برابر است با [٩] :
(١٩٧٤) ,Hughes and Withers با استفاده از نظريه ارتجاعي – خميري ارائه شده توسط (١٩٦١) ,Gibson and Anderson براي خاکهاي چسبنده با در نظر گرفتن شکم دادگي (شعاعي) ستون سنگي و ايجاد حالت مقاوم در خاک اطراف ستون سنگي رابطه اي براي محاسبه تنش نهايي زهکشي نشده جانبي قابل تحمل ( σ3) توسط خاک اطراف ستون سنگي را با کمک آزمايش پرسيومتري ارائه نمودند [٩و١٠].
که در آن : σro تنش جانبي کل درجا (اوليه )، Ec ضريب ارتجاعي خاک اطراف ستون سنگي، c مقاومت برشي زهکشي نشده خاک، υ نسبت پواسون خاک اطراف ستون سنگي مي باشد. با جايگذاري روابط فوق در يکديگر خواهيم داشت [١١] :
وسيک با در نظر گرفتن فرضيات روش قبل ، براي خاک اطراف ستون سنگي علاوه بر چسبندگي (c)، زاويه اصطکاک داخلي برابر را نيز در نظر گرفت و در نهايت تنش نهايي جانبي قابل تحمل ( σ3 ) توسط خاک اطراف ستون سنگي را بصورت زير ارائه نمود [١٠] :
که در آن : c چسبندگي خاک اطراف ستون سنگي، q متوسط تنشهاي اصلي اعمالي در عمق خاک مي باشد.
F’c و F’q ضريب شکم دادگي چاه ستون سنگي است و مقدار اين ضرايب تابعي از زاويه اصطکاک داخلي خاک اطراف ستون سنگي و شاخص صلبيت (Ir) مي باشد. شاخص صلبيت مطابق رابطه زير تعريف شده است [١٠] :
وسيک مقدار باربري ستون سنگي را در نهايت بصورت رابطه زير ارائه نموده است [١٢] :
(٢٠١٤) ,Nazari Afshar and Ghazavi با در نظر گرفتن مصالح دانه اي (بدون چسبندگي) براي مصالح ستون سنگي و مصالح داراي چسبندگي و زاويه اصطکاک داخلي براي خاک اطراف ستون سنگي، ظرفيت باربري خاک مسلح شده با ستون سنگي را محاسبه کرده اند [٨].
مطابق شکل ١، مي توان ظرفيت باربري ستون سنگي را براي حالتي که معيار خرابي شکم دادگي مي باشد محاسبه کرد. در اين روش فرض مي شود که ديوار حائل صلب مجازي AB در فصل مشترک خاک محل و ستون سنگي باشد(شکل ١- الف ). در اثر اعمال بار قائم ، ستون سنگي حالت محرک پيدا کرده و تمايل به حرکت به طرف خاک را دارد. در نتيجه اين حرکت ، خاک اطراف در مقابل حرکت ستون سنگي حالت مقاوم بخود مي گيرد (شکل ١-ب ).
فرض بر اين است که در مرز بين خاک و ستون سنگي ديوار حائل صلب بصورت افقي حرکت مي کند. لذا، با نوشتن معادلات تعادل نيروهاي وارد بر ديوار حائل صلب مجازي در جهت افقي مي توان حداکثر تنش نهايي قابل تحمل توسط ستون سنگي (qult) را محاسبه نمود [٨].
که در آن :
Cc چسبندگي خاک، سربار اعمالي بر روي گوه مقاوم (در صورت وجود)، W پهناي نوار معادل رديف ستونهاي سنگي مطابق با شکل ٢ که از رابطه روبرو بدست مي آيد: وزن مخصوص خاک اطراف ستون سنگي، γs وزن مخصوص مصالح ستون سنگي، ηa زاويه ناحيه مثلثي شکل محرک ستون سنگي با افق (شکل ١- ب )، ηp زاويه ناحيه مثلثي شکل مقاوم خاک اطراف ستون سنگي با افق (شکل ١- ب )، φc زاويه اصطکاک داخلي مصالح خاک اطراف ستون سنگي، φs زاويه اصطکاک داخلي مصالح ستون سنگي، Kas ضريب فشار محرک ناشي از نيروي اعمالي ستون سنگي بر ديوار حائل مجازي که از رابطه زير قابل محاسبه است [٨] :
که در آن زاويه اصطکاک مصالح ستون سنگي با جداره ديوار حائل صلب مجازي مي باشد.
KPC و KPCc ضريب فشار مقاوم ناشي از نيروي اعمالي از طرف خاک بر ديوار حائل مجازي که از روابط زير قابل محاسبه است [٨] :
و در آن زاويه اصطکاک خاک اطراف ستون با جداره ديوار حائل صلب مجازي مي باشد. مقدار Cw معمولا از براي رس سفت و Cc براي رس نرم متغيير است . و در غياب هر گونه شواهد تجربي مي توان در نظر گرفت . همچنين آئين نامه CP2 حداکثر Cw را برابر kpa50 توصيه مي کند.
.3 تحليل و طراحي ستونهاي سنگي مسلح شده
روابط تحليل ستونهاي سنگي مسلح شده بر اساس ايده سلول واحد توسط (٢٠٠٠) ,Kempfert and Raithel ارائه گرديد [٣]. مدل محاسباتي بر اساس تقارن محوري و شرايط مرزي مفروض در شکل ٣ نشان داده شده است .
بجز شرايط مرزي نشان داده شده در شکل ٣ فرضيات زير براي بدست آوردن روابط تحليلي در نظر گرفته شده [٣] :
الف ) نشست در بالاي ستون سنگي و خاک نرم يکسان است . ب ) از نشست در لايه باربر در زير ستون سنگي صرفنظر شده است . ج ) در ستون سنگي از ضريب فشار فعال زمين استفاده شده است . د) هنگاميکه از روش حفاري در نصب ستون سنگي استفاده مي شود ضريب فشار زمين در حالت سکون از رابطه محاسبه مي گردد. رفتار ژئوتکستايل بصورت مصالح با خاصيت الاستيک خطي در نظر گرفته مي شود.
ه ) براي طراحي پي، شرايط زهکشي شده فرض مي شود زيرا در اين حالت بيشترين نشست و بيشترين نيروي کششي شعاعي در ژئوسينتتيک ايجاد مي شود.
با در نظر گرفتن برابري نشست ستون سنگي و خاک نرم و براي محاسبه تغييرات شعاعي ستون سنگي روابط زير بدست مي آيند [٣] :
با جايگذاري از رابطه (١١) در رابطه (١٢) فقط مجهول مي باشد. رابطه (١١) با استفاده از راه حلي مبني بر فرآيند تکرار قابل حل مي باشد که به لحاظ زمان بر بودن اين فرآيند، استفاده از روشهاي عددي براي حل اين معادله ضروري مي باشد.
در روابط فوق [٣] : Ka,c ضريب فشار موثر زمين در حالت فعال براي ستون سنگي، Ko,s ضريب فشار موثر زمين در حالت سکون براي خاک رس نرم ، K*o,s ضريب فشار موثر زمين در حالت سکون براي خاک رس نرم در صورت اجراي ستون سنگي بصورت ويبره جايگزيني، aE نسبت ناحيه اصلاح شده ، J سختي ژئوگريد، rgeo شعاع ژئوگريد، rc شعاع ستون سنگي، *E مدول الاستيسيته خاک که بصورت ضريبي از مدول الاستيسيته خاک حاصل از آزمايش تحکيم (Eoed,s) بدست مي آيد. اختلاف تنش موجود، اختلاف تنش قائم ايجاد شده در خاک، συ,o,s∆ تنش قائم موجود در ستون سنگي هستند.
