بخشی از مقاله
مقایسه مدل های رفتاری موهر کولمب و خاک سخت شونده جهت ارزیابی رفتار سدهای خاکی، در حالت سه بعدی با نرم افزارPlaxiS 3D Foundation (مطالعه موردی سد خاکی کبودوال)
چکیده
رفتارنگاری و بررسی عملکرد واقعی سدها در دنیا بسیار متداول است. رفتارنگاری سدها در سه مرحله دوران ساخت، اولین آبگیری و زمان بهره برداری انجام می پذیرد .با توجه به رفتار غیرخطی سد خاکی برای تحلیل آن باید از روش عناصر محدود و مدل های رفتاری مناسب بهره جست. در تحقیق حاضر براساس داده های ابزار دقیق سد خاکی کبودوال، فشار آب حفره ای، تنش های ایجاد شده و نیز نشست سد در دوران ساخت با مقادیر حاصل ازتحلیل عددی مقایسه شده است. به این منظور دوران ساخت سد با استفاده از مدل های رفتاری موهر-کلمب ومدل سخت شونده تحلیل گشته و فشار آب حفره ای، تنش های ایجاد شده دربدنه و نشست آن با داده های ابزار دقیق مقایسه شده است. با توجه به هم خوانی داده های ابزاردقیق و نتایج حاصل از تحلیل، می توان گفت پارامترهای مقاومتی خاک که از آزمایشات به دست آمده، به واقعیت نزدیک بوده و نیزمدل رفتاری انتخاب شده قادر به پیشبینی مناسب رفتار سد در این مرحله هستند. هر دو مدل هم خوانی خوبی را با داده های ابزار دقیق نشان می دهند، اما مدل سخت شونده هم خوانی بهتری را ارائه کرده استاصولاً. مدل سخت شونده به دلیل در نظر گرفتن پارامترهای بیشتری از خاک رفتار این نوع مصالح را بهتر مدل می نماید.
واژه های کلیدی: سد خاکی کبودوال ، رفتار نگاری،PlaxiS 3D Foundation ، مدل رفتاری خاک.
مقدمه
امروزه سدهای بزرگ اعم از خاکی یا بتنی از مهمترین سازه های آبی به شمار می روند که در تأمین آب مورد نیازجوامع انسانی نقش اساسی را ایفا می کنند. بنابراین پایداری سدها به ویژه در دهه های اخیر مورد توجه خاص مهندسین طراح سدهای خاکی و بتنی بوده است. طبیعت متفاوت سازندهای طبیعی در محل احداث سدهای خاکی از یک طرف و رفتار پیچیده مصالح خاکی سد از طرف دیگر ارزیابی کمی و کیفی پارامترهای رفتاری خاک را
ضروری می نماید.تحقیقات نشان می دهند که ارزیابی غلط این گونه پارامترها اغلب علت به مخاطره افتادن پایداری سدهای خاکی بوده است. نصب ابزار دقیق و رفتارنگاری آنها در دوران ساخت و دوره بهره برداری اولیه کمک شایان به ارزیابی این پارامترها می کند (کمیته راهبردی انجمن مهندسین راه و ساختمان آمریکا، ( 2000 اهمیت ویژه ابزار دقیق در سدها به نقش آن ها در کنترل پایداری کوتاه و دراز مدت سدها برمی گردد، به گونه ای
که در رفتارنگاری سدها مورد توجه مهندسین واقع شده است (سازمان مهندسین ارتش ایالات متحده،( 1995 در حال حاضر، رفتارنگاری در سدهای خاکی بارفتار بسیار پیچیده بخشی از برنامه جامع کنترل پایداری است. به
عبارتی هدف اصلی که تشخیص هرگونه مشکلات احتمالی که پایداری سد را تهدید کند است به خوبی بارفتارنگاری توسط ابزار دقیق برآورده می شود (میرس و استتلیر، (2008 رفتار غیرخطی و غیر ارتجاعی مصالح سدهای خاکی در بارگذاری و باربرداری و در حالت زهکشی شده یا زهکشی
نشده استفاده از مدل های رفتاری که قادر به مدل سازی رفتار هرچه دقیق تر خاک را باشند، ضروری می سازد. مدل های رفتاری ساده اگرچه نیاز به پارامترهای رفتاری را ندارند اما نتایج حاصل از تحلیل با این گونه مدل ها با نتایج واقعی ممکن است اختلاف زیادی داشته باشند. از طرف دیگر مدل های رفتاری پیچیده نیاز به پارامترهای ژئوتکنیکی دقیق تری دارند که تعیین آنها از نظراقتصادی و آزمایشگاهی چندان ساده نیست. بنابراین انتخاب یک مدل رفتاری مناسب یکی از وظایف مهم مهندسین طراح سد است. در تحقیق حاضر سعی شده است داده های ابزار دقیق دردوران ساخت که شامل مقادیر واقعی فشار آب حفره ای، تنش و نشست سد هستند (مقادیر اندازه گیری شده توسط ابزار دقیق نصب شده در سد) با مقادیر به دست آمده از تحلیل سد (مقادیرمحاسبه شده) بر اساس مدل های رفتاری مور-کلمب و سخت شونده و مدل نرم شونده مقایسه و بررسی شوند. بدلیل اهمیت پیشبینی رفتارخاک از نظر میزان تغییر شکل در سازه خاکی و تغییرات اضافه فشار آب حفره ای بررسی مدل های رفتاری ضروری می باشد ؟چراکه مدل های رفتاری ارتباط بین تنش وکرنش را برقرارمی کنند، تحقیقات بیشتر دراین زمینه می تواند به پیش بینی های دقیق تر رفتار سازه های خاکی بیانجامد ؟در این تحقیق سعی بر آن بوده است که سد با سه مدل موهرکولمب، نرم شوندگی، سخت شوندگی تحلیل عددی گردد تا یک مدل رفتاری با پارامترهای واقع بینانه برای سد خاکی ایده آل انتخاب گردد.
پیشینه تحقیق
بعد از خرابی سد تتون در سال 1791، که منجر به خسارات فراوان گردید، رفتار نگاری سدهای خاکی به صورت وسیع گسترش پیدا کرد. از جمله سدهای خاکی بزرگ دنیا که به منظور کنترل پایداری هیدرولیکی در دوران ساخت، اولین آبگیری و بهره برداری رفتار نگاری شده در کشور کانادا است. ارتفاع این سد 121 متر و طول تاج آن 0033 متر است، سدخاکی کوبیکٌ واقع در شمال شهر لج فورٍ است .سد آلیبیَدرنزدیکی شهر استانبول درکشور ترکیه در سال 1709 به بهره برداری رسیده است .این سد بوسیله نرم افزار مدل شد و بررسی های انجام شده نشان داده که در طول دوران بهره برداری از سال 1701 تا سال 2339 مشکلات جدی در عملکرد سد ایجاد نشده است (خادم،.(1000 سدخاکی داروینُ در کشور استرالیا از جمله سدهای خاکی کم ارتفاع با طول 033 متر و ارتفاع 21 متر می باشد .این سد در سال 1773 به بهره برداری رسیده است و با توجه به نتایج بدست آمده از رفتار
نگاری مشخص شده است که سد: در دوران ساخت، اولین آبگیری و دوران، بهره برداری دچار شکست هیدرولیکی نشده است.
بر روی سد خاکی سنگریزه ای با هسته رسی مهاباد که روی رودخانه ی مهاباد در 123 کیلومتری ارومیه احداث شده است، از زمان ساخت تا کنون رفتار نگاری صورت گرفته است که نتایج آن تا سال 09 توسط شمسایی، حسن زاده و رستمی منتشر شده است. پس از تحلیل سد با نرم افزار مشاهده شد که نتایج تحلیل با مشاهدات و داده های بدست آمده از ابزار دقیق هم خوانی مناسبی دارد(شمسایی،حسن زاده ورستمی .( 1009 حصیرچیان ، گلمایی و ضیاء تبار احمدی (1000)، پایداری سد البرز را بررسی کردند. به این نتیجه رسیدند که نتایج حاصل از آنالیز برگشتی سد با ابزار دقیق تطابق خوبی باهم دارند. نظری افشار و همکاران (0931) در تحقیقی به تحلیل سه بعدی مراحل ساخت سد خاکی-سنگریزه ای مارون پرداخته اندپس از صحت سنجی پارامترهای مقاومتی مصالح موجود در این پژوهش به تعیین رفتار سد مارون به ترتیب توزیع تنش قائم، فشارهای منفذی، نشست قائم و تغییر مکان افقی در حین مرحله ساخت پرداخته اند .هم چنین به دلیل محبوس شدن آب در بدنه سد فشار آب حفره ای با کالیبره مناسب مدول بالک تطابق خوبی با قرائت های ابزار دقیق داشته است.
مواد و روش ها معرفی سد
سد کبود وال همگن و دارای فیلتر و زهکش مایل است. مخزن آن خارج از حوضه ی آبریز اصلی است، طول تاج1372 متر و حداکثر ارتفاع از پی33.25متراست. ارتفاع از بستر30.5 متر و هم چنین تراز بستر سد162 متر از سطح دریا و حداقل تراز آب در مخزن171 متر از سطح دریا و نیز حداکثر تراز نرمال آب188.25 متر از سطح دریا است. تراز تاج سرریز189.6 متر از سطح دریا و تراز تاج سد192.25 متر از سطح دریا است. ضخامت در پی10 متر و آب قابل تنظیم سالیانه حدود 55 میلیون متر مکعب است.
شکل - 2 مقطع تیپ عرضی بدنه سد کبودوال
تعداد کل ابزار نام وسایل و تجهیزات ابزاردقیق
جدول -4 تعداد و نام وسایل و تجهیزات ابزاردقیق سدکبودوال
جانمائی سیستم پیزومتریک (پیزومترهای الکتریکی) و فشارسنجی خاک در شکل ارائه شده است. دراین مقطع(مقطع ( 19 از بدنه سد مجموعا 11 پیزومتر الکتریکی به ترتیب 3 پیزومتر در داخل بدنه سد، یک پیزومتر در حدفاصل پی و بدنه سد و 7 پیزومتر در داخل پی سد مدنظر قرار گرفته است.
در مورد تغییرشکلهای بدنه و پی، از داده های نشست سنجی و انحراف سنجی پروژه مورد استفاده شده است. برای دستیابی به تغییرشکلهای بدنه و پی ، انحراف سنجهای قائم به همراه صفحات مغناطیسی نشست سنجی در مقاطع مختلف بدنه سد بکار رفته است.
شکل -3 جانمایی ابزار دقیق سدکبودوال در مقطع19
مدل موهر-کولومب((MC
این مدل شامل پنج پارامترورودی است. پارامتر های مدول یانگ و ضریب پواسون برای الاستیسیته خاک و چسبندگی و زاویه اصکاک داخلی خاک برای پلاستیسیته خاک و زاویه اتساع است. مدل موهرکلمب یک تقریب مرتبه اول ازرفتارسنگ یاخاک را نشان می دهد. پیشنهاد شده است که این مدل برای تحلیل اولیه ازمساله استفاده شود. مدل موهر- کولمب از ساده ترین مدلهای رفتاری خاک می باشد و از آنجایی که در این مدل اکثر پارامترهای اساسی خاک، اعم ازخمیری وکشسان وجود دارد برای مدل کردن اکثر حالات رفتاری خاک مناسب می باشد. مفهوم پلاستیسیتهاصولاً به کرنش های غیرقابل برگشت مربوط می شود.
این مدل به دلیل سادگی و عدم نیاز به پارامترهای متعدد، در بسیاری از تحقیقات مورد استفاده واقع می شود.
مدل سخت شونده(( HS
در این مدل اثر خزش یا نشست ثانویه کهمعمولاًدردرازمدت اتفاق می افتد درنظر گرفته نمی شود. بدیهی است با توجه به اینکه در طول ساختمعمولاًنشست های اولیه اتفاق می افتد مدل سخت شونده کارآیی بهتری می تواند داشته باشد.
این مدل رفتارخاک را درمحدوده الاستیک بااستفاده ازمدل هایپربولیک ، شبیه سازی می کند ؟این مدل شامل سخت شونده فشاری می باشد که برای شبیه سازی تراکم برگشت ناپذیر خاک تحت فشار اولیه به کار می رود و هم چنین برای شبیه سازی رفتارماسه وشن وهم برای انواع نرم تر خاک همانند سیلت ها و رس ها به کار می رود ؟پارامترهای موردنیازبرای این مدل رفتاری به قرار زیر استْ پارامترهای مشترک این مدل بامدل موهرکولمب غیرسخت شونده عبارتند از ْچسبندگی، زاویه ی اصطکاک داخلی، زاویه ی اتساع ؟پارامترهای پایه سختی خاک عبارتند از ْسختی سکانتی درآزمایش سه محوری استانداردزهکشی شده، سختی مماسی برای مرحله اولیه بارگذاری تحکیمی”ادئومتری“،توان وابستگی سختی به سطح تنش ؟پارامترهای پیشرفته ْسختی باربرداری بارگذاری مجدد، ضریب پواسن برای بارحالت باربرداری بارگذاری مجدد، تنش مبنا برای سختی ها، مقدار Kبرای خاک تحکیم عادی یافته، نسبت گسیختگی، مقاومت کششی، ضریب تغییرچسبندگی مانند مدل موهرکولمب؟
نرم افزار پلاکسیس سه بعدی:
نرمافزارPlaxis 3d Foundation یک برنامه المان محدود سه بعدی است که جهت بررسی و آنالیز پیهای دور از ساحل، خاکریزها و شمعها استفاده میشود. این برنامه ورودیهای ساده را از کاربر دریافت کرده و با گرافیکی ساده ترکیب می کند و در نهایت به طور خودکار مدلهای پیچیده المان محدود را با خروجی پیشرفته و انعطاف پذیری بالا ایجاد میکند.
مدلسازی درنرم افزار پلاکسیس سه بعدی
برای هر پروژه در این نرم افزار، ابتدا لازم است مدل هندسی ایجاد شود. یک مدل هندسی، شکلی از یک مسئله واقعی سه بعدی می باشد که از طریق سطح کارِ و چاهکهاّ تعریف میشود. یک مدل هندسی بایستی دارای لایههای مختلف خاک، اهداف ساختاری، مراحل ترسیمی و بارگذاری باشد.در مدل کردن در حالت سه بعدی نکات زیر در نظر گرفته شده است.
· از مش بندی متوسط استفاده گردیده است.
· تمام مشخصات خاک همانند مشخصات مدل دو بعدی است.
· عرض مدل 50 متر، پی سد 40 متر
· تمام فازها مانند فاز دو بعدی است.
چاهکها
چاهکها در مدل هندسی ابزاری هستند که سطح پی، لایههای خاک و سطح ایستایی آب را در منطقهای معین تعریف میکنند. در طول اجرای مشبندی سه بعدی، وضعیت لایه های خاک میان چاهکها متناسب میشود و مشبندی به گونهای گسترش یافته که حد و مرزهای میان لایههای خاک همواره بر حد و مرزهای المانها منطبق میباشد.
سطوح کار
سطوحی افقی هستند که جهت بارگذاریها و ایجاد شکلها در مدل استفاده میشوند.
المانها
در این نرمافزار از المانهای مثلثی استفاده میشود که شامل 15 گره هستند. توزیع گرهها بر روی المانها در شکل زیر آمده است. المانهای همجوار از طریق گرههای مشترکشان در ارتباط هستند. در طول محاسبات یک المان محدود، تغییر مکانهای Ux، Uy و Uz در گرهها محاسبه میشوند.
شکل-5 توزیع گرهها و نقاط تنش در المان سه گوش 15 گرهی در پلاکسیس سه بعدی
مشبندی
زمانیکه مدل هندسی ترسیم گردید و اطلاعات کامل چاهک ها وارد شد، توصیه این است که یک شبکه محدود دو بعدی از اجزا، قبل از ساخت شبکه کامل سه بعدی ساخته شود. پس از ایجاد شبکه دو بعدی، بایستی مدل کاملاً به شبکه سه بعدی بسط داده شود که از این طریق اطلاعات در جهت عمودی روی مرزهای سطوح، تراز ساخت و
تغییرات هندسی وارد شود.
