بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مقايسه طراحي روسازي هاي آسفالتي به روش آشتووطراحي به روش مکانيستيک -تجربي بااستفاده از برنامه Kenlayer
۱. مقدمه
در بسياري از کشورها، طي چند دهه اخير از روش هاي طراحي عملکردي روسازي مبتني بر نتايج آزمايش بزرگ آشتو جهت طراحي استفاده شده است . در روش هاي طراحي عملکردي ، بارهاي مجاز وارد بر سازه روسازي مستقيماً از طريق کنترل عکس العمل روسازي تعيين نشده ، بلکه ارزيابي وضعيت روسازي از طريق شاخص هايي مانند قابليت خدمت دهي راه تعيين مي شود.گذشت زمان و تغيير و تحولات عميق ايجاد شده در رابطه با نوع ، تعداد و وزن محور خودروها، شناسايي خواص و مشخصات فني مصالح روسازي و مرمت و بهسازي روسازي ها موجب گرديده ، روش هاي جديد طرح روسازي ، مبتني بر اصول و تئوري هاي دقيق علمي و با روش هاي مکانيستيکي صورت گيرند. در اين راستا با ظهور نسل جديد کامپيوترها و افزايش توان محاسباتي ، گرايش به روش هاي طراحي مکانيستيک - تجربي به شدت افزايش يافته است . تحليل روسازي هاي انعطاف پذير در اين روش ها، اغلب با استفاده از نرم افزار کامپيوتري نوشته شده توسط سازمان ارائه دهنده روش طراحي تحليلي صورت مي گيرد.
در اين تحقيق ،طراحي روسازي به دو روش آشتو (سال ۱۹۹۳)و روش مکانيستيک تجربي با استفاده از نرم افزار Kenlayer صورت گرفته ، اثر تغيير در برخي از پارامترهاي موثر در طراحي ، شامل مدول برجهندگي خاک بستر و مصالح دانه اي ، مدول ديناميکي مخلوط آسفالتي و درصد وسايل نقليه سنگين عبوري از خط طرح مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است .
۲. مروري بر تاريخچه روش هاي طراحي روسازي آسفالتي
تا حدود نيم قرن پيش ، اغلب روسازي هاي انعطاف پذير براساس تجربه و قضاوت مهندسي طرح مي شدند، به طوري که تا سال ۱۹۴۲ هيچ مرجعي براي طرح ضخامت روسازي هاي انعطاف پذير وجود نداشت . نخستين گام اصولي در رابطه با تکنولوژي طرح روسازي هاي انعطاف پذير با معرفي سيستم هاي طبقه بندي خاک - روش هاي کاساگرانده و آشتو-برداشته شدو روش هاي طراحي مبتني بر طبقه بندي خاک هاي بستر مانند روش نشانه گروه ارائه گرديدند.سپس روش CBR در سال ۱۹۴۲ براساس نتايج CBR خاک بستر وروش ويم بر اساس آزمايش هاي پايداري و چسبندگي معرفي گرديدند.
بين سال هاي ۱۹۴۵ تا ۱۹۶۰ روش هاي مختلف طراحي مبتني بر آزمايش هاي مکانيک خاک و آزمايش هاي سازگار با مصالح محل و عملکرد روسازي ، مانند روش سه محوري کانزاس ، روش مخروط داکوتاي شمالي ، روش سه محوري تگزاس ، روش کاروليناي شمالي و روش اوليه انستيتو آسفالت در سال ۱۹۵۴ به کار گرفته شدند. بعد از جنگ جهاني دوم ، با افزايش سريع ترافيک بزرگراه ها از نظرحجم و وزن محورهاي عبوري ، روش هاي طراحي قبلي پاسخگو نبودند. با انجام آزمايش صحرايي مريلند (MD-١) در سال ۱۹۵۴ و آزمايش صحرايي WASHO بين سال هاي ۱۹۵۳و ۱۹۵۴ ، زمينه لازم براي انجام آزمايش بزرگ صحرايي AASHO بين سال هاي ۱۹۵۸ تا ۱۹۶۰ فراهم گرديد [١].با معرفي روش هاي تحليلي در طراحي روسازي ها و متعاقب آن پيشرفت هاي محاسباتي ، در سال هاي اخير، به تدريج روش هاي مکانيستيک - تجربي طراحي روسازي ها جايگزين روش هاي تجربي شده اند.
از جمله جديدترين نرم افزارهاي طراحي روسازي به روش مکانيستيک - تجربي ، نرم افزار ME PDG مورداستفاده در پروژه هاي تحقيقاتي بوده ، که فرايندهاي تحليل و طراحي روسازي هاي آسفالتي و بتني جديد، روسازي هاي مورد بازسازي ، ترميم و بهسازي ، ارزيابي روسازي هاي موجود، طرح زهکشي داخلي و ... با آن امکان پذير است [٢].
۳. طراحي روسازي آسفالتي به روش آشتو۱۹۹۳
روش طراحي آشتو بر اساس نتايج حاصل از آزمايش بزرگ صحرايي آشتو در اتاوا واقع در ايالت ايلي نوي در اواخر دهه ۱۹۵۰ و اوايل دهه ۱۹۶۰ ميلادي ارائه شد. راهنماي طراحي آشتو در سال ۱۹۶۱ منتشر و در سال هاي ۱۹۷۲، ۱۹۸۱، ۱۹۸۶و ۱۹۹۳ مورد بازبيني قرار گرفت . معادلات عملکردي تجربي حاصل از آزمايش صحرايي آشتو در راهنماي آشتو ۱۹۸۶، به منظور استفاده در نواحي ديگر، اصلاح و گسترش يافت [٣].روش طراحي ۱۹۹۳ در مقايسه با روش طراحي ۱۹۸۶ شامل برخي روش هاي تجربي طرح ترميم و بهسازي است ، در حالي که مباني طراحي و معادلات عملکردي در هر دو راهنما مشابه است [٤].معادله اصلاح شده آشتو، براي شرايط مختلف خاک بستر و شرايط متفاوت آب و هوايي ، به صورت رابطه زيرتعريف شده است :
در اين رابطه ، تعداد بارهاي محوري معادل استاندارد۱۸ کيلوپوندي ، انحراف نرمال (وابسته به قابليت اطمينان R و انحراف معيار ،MR مدول برجهندگي موثر خاک بستر psi، تغييرات قابليت سرويس دهي و SN عدد سازه اي روسازي به شرح رابطه زير است .
در رابطه اخير، پارامتر هاي به ترتيب ، ضرايب قشرلايه هاي آسفالتي ، اساس و زيراساس ؛ پارامترهاي به ترتيب ، ضرايب زهکشي لايه هاي اساس و زيراساس و پارامترهاي به ترتيب ضخامت لايه هاي آسفالتي ، اساس و زيراساس بر حسب اينچ است [٥].
۴. طراحي روسازي به روش مکانيستيک ± تجربي با استفاده از نرم افزار Kenlayer
روش هاي طراحي مکانيستيک - تجربي مبتني بر اصول مکانيک جامدات و خواص مکانيکي مواد بوده ، يک ورودي مانند بار چرخ را به يک خروجي يا عکس العمل روسازي مانند تنش ، کرنش يا تغييرشکل مربوط مي سازند.مدل هاي سازه اي مورد استفاده جهت تحليل روسازي هاي انعطاف پذبر به دو دسته کلي مدل الاستيک چند لايه اي ومدل المان محدود تقسيم مي شوند.نرم افزار Kenlayer از جمله نرم افزارهاي تحليل و طراحي روسازي هاي انعطاف پذير است که بر اساس تئوري تحليل الاستيک چندلايه اي ، تحت سطح بارگذاري دايره اي شکل ، استوار است . اين نرم افزار براي سيستم هاي لايه اي تحت بار انواع محورهاي ساده ،دوتايي (تاندم )و سه تايي (تريدم ) و چرخ هاي منفرد و زوج قابل استفاده است . همچنين امکان تعريف رفتارهاي مختلف مانند الاستيک خطي ، الاستيک غيرخطي و ويسکوالاستيک خطي براي مصالح لايه هاي مختلف روسازي در اين نرم افزار درنظرگرفته شده است .
تحليل خرابي هاي روسازي بر اساس تقسيم هر سال به حداکثر ۱۲ دوره آب و هوايي به منظور پوشش کامل مشخصات متفاوت مصالح در دوره هاي مختلف سال صورت مي گيرد. در اين برنامه کامپيوتري حداکثر۱۲ گروه بارگذاري قابل تعريف است [٦].با تعيين ترافيک کل عبوري مربوط به هرگروه بار در هر دوره آب وهوايي و تعميم مناسب آن براي دوره طرح روسازي ، تعداد کل بارهاي وارده برروسازي در دوره طرح ، تعيين مي شود.
۴-۱-پارامترهاي ورودي برنامه
پارامترهاي ورودي متعددي در برنامه Kenlayer قابل تعريف هستند. برخي از مهم ترين اين پارامترها شامل تعداد دوره هاي مختلف آب و هوايي در يک سال ، تعداد گروه هاي بارگذاري ، تعداد لايه هاي روسازي ، نوع رفتار در مرز بين لايه ها (اصطکاک کامل و يا لغزندگي کامل )، نوع بارگذاري (محورمنفرد با چرخ منفرد، محورمنفرد با چرخ زوج ، محور دوتايي و محور سه تايي )، شعاع تماس و فشار تماسي روي سطح بارگذاري دايره اي ، فاصله مرکز به مرکز بين چرخ هاي زوج و فاصله مرکز به مرکز بين دو محور است [٦].
۴-۲- توابع انتقال
توابع انتقال به عنوان حلقه رابط عکس العمل هاي سازه اي روسازي و خرابي هاي ايجاد شده در روسازي ، عامل اصلي اختلاف روش هاي مکانيستيک - تجربي طراحي روسازي محسوب مي شوند [٧]. دو معيار غالب روش هاي طراحي عبارتند از:
۱. معيار خستگي : کرنش کششي افقي در زير لايه آسفالتي منجر به ترک خستگي مي شود. جهت کنترل ترک خستگي ، تعداد مجازتکرار بار به کرنش کششي افقي در زير لايه آسفالتي و مدول الاستيسيته لايه آسفالتي مرتبط مي شوند.
۲. معيارتغيير شکل دائمي (گودافتادگي مسير چرخ ها: کرنش فشاري قائم بالاي خاک بستر باعث ايجاد تغييرشکل قائم يا گودافتادگي مسير چرخ هامي شود. لذا جهت کنترل آن ، تعداد مجاز تکرار بار ، به کرنش فشاري قائم بالاي خاک بستر مرتبط مي شود.
۴-۳-پارامترهاي خروجي برنامه
با کاربردنرم افزار Kenlayer ضمن تعيين کرنش کششي زير لايه آسفالتي و کرنش فشاري در بخش فوقاني خاک بستر، با استفاده از پاسخ هاي سازه اي و توابع انتقال ، تعداد تکرار مجاز هرگروه بار در دوره طرح روسازي قابل برآورد خواهد بود [٥]. با توجه به در دسترس بودن تعداد تکرار واقعي هر گروه بار در دوره طرح ، به کمک فرضيه ماينر [٨]و نسبت خرابي محاسبه شده ، معکوس اين نسبت به عنوان عمر واقعي روسازي برآورد مي شود.
۵. داده هاي ورودي طرح
رفتار مصالح در طراحي با نرم افزار Kenlayer،الاستيک خطي فرض شده است .در اين تحقيق ،به عنوان مثال متوسط ترافيک روزانه وسايل نقليه در سال برابر۱۰,۰۰۰، توزيع جهتي ترافيک برابر۵۰%، تعداد خطوط در دو جهت برابر۴ و ضريب خط طرح برابر۰,۸ فرض شده اند. در نتيجه متوسط ترافيک روزانه وسايل نقليه خط طرح در سال ، ۴,۰۰۰ وسيله نقليه خواهد بود.آيين نامه حمل و نقل بار در راه هاي ايران ، انواع وسايل نقليه سنگين موجود در راه هاي ايران و وزن مجاز آن ها را طبقه بندي کرده است . با هدف محدودسازي انواع محورهاي وسايل نقليه سنگين ، برخي تغييرات در وزن محور يدک کاميون ها در جهت محافظه کارانه داده شده و اين اطلاعات مبناي داده هاي ترافيکي ورودي بوده است [٩].در اين تحقيق ، حجم وسايل نقليه سنگين ، ۱۰%متوسط ترافيک روزانه در سال فرض شده است .تعداد عبور بارهاي محوري مختلف ، طبق جدول ۱ تعيين گرديده است . بر اين اساس ،در روش طراحي مکانيستيک - تجربي با استفاده از نرم افزار Kenlayer بارهاي ترافيکي به صورت تعدادعبور انواع محورها تعيين شده است . همچنين ، در طراحي به روش آشتو، بارهاي ترافيکي به صورت تعداد عبور بار محوري معادل استاندارد ۸,۲ تني و براساس ضرايب هم ارز آشتو محاسبه شده اند.اين ضرايب هم ارزي با توجه به SN برابر۲,۵ وضرايب نيز با فرض زهکشي در محدوده متوسط برابر ۱,۱ انتخاب شده اند. ضريب اطمينان در نظر گرفته شده در طراحي به روش آشتو برابر ۹۵%وعمر طرح ۲۰ سال و رشد ساليانه ترافيک نيز۳%فرض شده است . همچنين ، جهت طراحي روسازي آسفالتي با برنامه Kenlayer، از توابع انتقال انستيتوآسفالت استفاده شده است .
به منظور مقايسه نتايج طراحي روسازي آسفالتي به روش مکانيستيک - تجربي با نرم افزار Kenlayer با نتايج طراحي به روش آشتو ۱۹۹۳، دو نوع روسازي طرح مي شود:
روسازي نوع ۱:روسازي آسفالتي متعارف (لايه آسفالتي واقع بر روي لايه هاي زيراساس و اساس ) روسازي نوع ۲:روسازي تمام آسفالتي
۶. نتايج طراحي روسازي
خلاصه نتايج حاصل از طراحي دو نوع روسازي متعارف و روسازي تمام آسفالتي در جدول ۲ آمده است .
