بخشی از مقاله
پيش بيني بيشترين تغييرشکل ديوارهاي حايل ميخ کوبي شده ، با استفاده ازشبکه هاي عصبي مصنوعي
چکيده
دراين تحقيق به پيش بيني بيشترين تغيير شکلهاي ايجاد شده در ديوارهاي نگهدار ميخکوبي شده گودبرداريهاي عميق بوسيله يک شبکه عصبي مصنوعي پرداخته شده است . درابتدا عناصر تشکيل دهنده ديوار ميخکوبي شده ، براساس آيين نامه FHWA ، طراحي شده است . سپس با استفاده از نتايج طراحي ، تحليل هاي عددي اجزاء محدود متعددي به منظور دستيابي به رفتار تنش -کرنش ديوار هاي مختلف ميخکوبي شده توسط نرم افزار Phase و به صورت دوبعدي انجام شده است . پس از مشخص شدن داده هاي بدست آمده از تحليل عددي انجام شده توسط نرم افزار مذکور، با استفاده ازاين بانک داد ها به آموزش شبکة عصبي با الگوريتم پس انتشار خطا پرداخته شده است . در اين شبکه عصبي ، ارتفاع ديوار، ضريب ارتجاعي خاک، زاويه اصطکاک داخلي خاک، وزن مخصوص خاک، فاصلة ميخها از يکديگر و قطر و طول ميخها به عنوان نرونهاي ورودي وجابجائي وضريب اطمينان بعنوان نرونهاي خروجي شبکه استفاده مي شود. شبکه تربيت يافته به خوبي قادر به پيش بيني تغيير شکل افقي و ضريب اطمينان ديوارهايي که در طي آموزش به شبکه معرفي شده اند، مي باشد. همچنين نتايج تحليلهاي جديد که شبکه در طي آموزش با آنها برخورد نداشته است ، توسط شبکه تربيت شده با دقت قابل قبول پيش بيني شدند.
کلمات کليدي
تغيرشکل ، گودبرداري ، ديوارحائل ، ميخکوبي ، شبکه عصبي مصنوعي
١. مقدمه
مهندسين ژئوتکنيک همواره درصدد بهبود خواص مکانيکي خاک به روشهاي گوناگون مي باشند. ميخکوبي خاک ]١[ شامل تسليح و مقاوم نمودن آن درمحل ، بانصب ميلگردهاي فولادي نزديک به هم درداخل يک شيب ياگودبرداري همزمان با ساخت از بالا به پائين ومحدود نمودن تغييرمکانها مي باشد. مفاهيم طراحي يک سازه نگهبان ميخکوبي شده براساس انتقال نيروهاي کششي توليدشده درمسلح کننده مي باشد. مکانيسم انتقال بار بين ميخها وخاک تاحدظرفيت ازجا درآمدگيِ نهائي و يا گسيختگي (شکست ) ميخها به پارامترهاي بسياري ن ير روش نصب ، روش تزريق وحفاري ، فشارتزريق ، اندازه و شکل مسلح کننده ، مشخصات هندسي و خاک محل ، نفوذپذيري خاک و مشخصه هاي مقاومت برشي خاک بستگي دارد. باتوجه به پيدايش روش ميخکوبي دردهه هاي اخير و ناشناخته بودن رفتار مختلف آن ، محققين و مؤسسات متعددي به بررسي زواياي مختلف مسئله پرداخته و درحال حاضر نيز مساله را تحت بررسي دارند.
يکي ازمواردبسيارمهم درطراحي وبهره برداري ازديوارهاي ميخکوبي ، تعيين بيشترين تغييرمکان وهمچنين پايداري کلي اينگونه ديوارها مي باشد. لذادرتحقيق حاضر پيش بيشترين مقدارتغييرشکل وهمچنين پيش بيني ضريب اطمينان ديوارهاي ميخکوبي شده مورد بررسي قرار گرفته است .
٢. روش تحقيق
دراين تحقيق ، براي بررسي رفتارگودهاي ميخکوبي شده ازروش مدلسازي عددي درنرم افزا Phase استفاده شده است . درادامة اين تحقيق براي پيش بيشترين تغيير مکان افقي ديوارميخکوبي شده (که معمولاًدرتاج ديواراتفاق مي افتد) از روش آموزش شبکة عصبي باالگوريتم پس انتشارخطااستفاده شده است . به منظورتهية بانک داد هاجهت آموزش شبکة عصبي ، تحليل هاي متعددي (٢٤٣تحليل عددي ) برروي سه مدل ديوار با ارتفاع هي ٢٠,١٠و٣٠ متربه همراه پارامترهاي متغيري ازخاک، ميخ وديواره (رُخپوش ) که توسط نرم افزار Phase انجام شد. سپس بااستفاده ازاين بانک داده ها به آموزش شبکة عصبي پرداخته شد.
٣. مدل سازي عددي
امروزه استفاده ازنرم افزارهاي رايانه اي به عنوان يکي ازمحورهاي مهم پژوهشهاي تئو يک درعلوم مهندسي بشمارمي آيد.
درگرايش مهندسي ژئوتکنيک که يکي ازشاخه هاي اصلي مهندسي عمران مي باشد نياز به شبيه سازي رفتارخاک وسازه هاي مرتبط ازاهميت ويژه اي برخورداراست . دراين راستا و به دليل پرهزينه بودن شبيه سازيهاي بامقياس بزرگ ، استفاده ازنرم افزارهاي مهندسي جهت مدلسازي خاک رايج گرديده است . در اين تحقيق نر افزار Phase نسخة شمارة ٦،که ازسري نرم افزارهاي rocscienceوتوليدکشورکانادا مي باشد؛ جهت مدلسازي وتعيين رفتارديوارهاي ميخکوبي شده مورداستفاده قرارگرفته است . نر افزارPhase ازجمله نرم افزارهاي ژئوتکنيکي مي باشدکه برپاية روش اجزاءمحدود بنا نهاده شده و با توجه به قابليت ها و شناخت ويژه اي که ازخاک، سنگ وِ المانهاي تسليح که ازجملة آن ديوارميخکوبي واجزاءمرتبط باآن دارد، به خوبي مي تواند رفتار اينگونه ديوارها را شبيه سازي کند و نيز قادر به انجام تحليل غيرخطي وهمچنين محاسبة ضريب اطمينان مي باشد.
باتوجه به اينکه دراين تحقيق ازنرم افزارPhase به منظورتحليل ديوارميخکوبي استفاده شده لذا درابتدا مدلي ازديوارميخکوبي شدة تمام مقياس سياتل واشنگتن درمحيط نر افزارPhase ساخته شد( شکل ١) و نتايج ، بانتايج واقعي مقايسه گرديد (شکل ٢).
شکل ٢ -مقاديرنيروهاي نرمال شده درترازهاي مختلف ، براي ديوارميخکوبي سياتل واشنگتن (الف ) نتايج نرم افزارالمان مجزا
(ب ) نتايج نرم افزاراجزاءمحدود) Phase ) نتايج مطالعه موردي
شکل ١ -نمائي ازنيروهاي کششي ايجادشده درميخهاي مدلِ ساخته شده (ديوارسياتل واشنگتن ) در نر افزارPhase
همانطورکه درشکل ٢ نشان داده شده نتايج حاصل ازنر افزارPhase، همخواني بسيارمناسبي بامطالعه موردي دارد. همچنين شکل ٢بيانگرتغييرات نيروي کششي ميخهاکه بوسيلة رابطة ١ نرمال شده ، درعمق هاي مختلف مي باشد و نيز نشانگر رفتار تقريباً مشابه نر افزارPhase، با نتايج تحليل نر افزارِ المان مجزا مي باشد. همچنين شکل ١ نشانگرموقعيت نيروي کششي ماکزيمم ، که باافزايش تراز(ازسطح گود)، ازانتهاي ميخ به ابتداي آن منتقل مي گردد مي باشد، که اين موضوع نيز با رفتارهاي مطالعه شده قبلي تطابق دارد.
که در آن : Tنيروي محوري يخ ، وزن مخصوص خاک، و بترتيب فاصلة افقي و قائم ميخها مي باشد.
لازم به ذکراست که به نظرمي رسدتفاوت مقاديرواقعي وآنچه پيش گرديد است درنقطه سوم درشکل (٢ج )، به دليل خطا در اندازه گيري مقدار نيرو در ميخ سوم در طي مطالعه موردي است .
١.٣. معرفي مدل
١.١.٣. ابعادمدل
بطورکلي مدل هاي ساخته شده دراين تحقيق شامل ٣ ديوارميخکوبي شده با ارتفاع ه ي ١٠، ٢٠و٣٠متر مي باشد.
حداقل فاصلة تاج گود(ديوار) از مرز مدل ، براساس فاصلة تأثير تغييرفرم ديوار برسازه هاي مجاورکه باتوجه به پيشنهاد ادارة بزرگراه هاي ايالات متحده ]٥[از رابطة ٢ قابل محاسبه است ؛ درنظرگرفته شده است (شکل ٣).
که درآن :
=ناحيه تاثير (فاصله اي ازفضاي پشت ديوارکه تحت تأثيرجابجائي ديوارقراردارد)، C=ضريبي است که باتوجه به نوع زمين مشخص مي شود، H=ارتفاع ديوار، α=زاويـة ديوارنسبت به راستاي قائم (براي ديوارهاي قا م ٠=α و بنابراين : .
بمنظور اطمينان خاطر از تأثيرات ابعاد مدل برروي نتايج وهمچ ين باتوجه به مدلهاي ساخته شده درتحقيقات پيشن ي ]٣و٤[، عمق و حداکثرفاصلة تاج گود(ديوار) از مرز مدل تعيين شد درشکل ٤ به عنوان نمونه ، نمائي ازمدل ساخته شده براي ديوار١٠ متري نشان داده شده است .
شکل ٤-نمائي ازمدل ساخته شده درنر افزارPhase، براي ديوار١٠متري که نشانگرابعادمدل مي باشد
٢.١.٣. شرايط مرزي ومش بندي :
باتوجه به اينکه هرگونه تغييرمکان افقي وقائم در مرزها صفردرنظرگرفته شده ؛ لذا درمرزها ازتکيه گاه با قابليت گيرداري درهر دو راستا استفاده مي شود. براي مش بندي نيز از مش هاي مثلثي ٦ گره ي استفاده شده است .
٣.١.٣. مشخصات مصالح وپارامترهاي مرتبط
مشخصات مربوط به خاک مورد بررسي درجدول ١ ارائه شده است . خاک مورد مطالعه ازنوع دانه اي با درصد بسيارکمي ريزدانه مي باشد. براي مدل کردن خاک از معيارموهر-کلمب استفاده شده است . همچ ين مشخصات مربوط به مي ها درجدول ٢ بيان شده است . رفتارميخها درمدلسازي به صورت الاستيک درنظرگرفته شده است . بمنظورتعيين قطروطول ميخ واستفاده ازآنها به عنوان پارامتر ورودي نر افزار، ازروش و نمودارهاي طراحي ارائه شده توسط اداره بزرگراههاي ايالات متحده ]٥[ استفاده شده است .مشخصات مربوط به رخپوش (پوشش ديواره ) درجدول ٣بيان شده است .
٢.٣. نحوه مدل سازي
مدلسازي به صورت کرنش مسطح و با استفاده ازالمانهاي مثلثي ٦ گرهي که درناحيه گودبرداري و ميخکوبي ريزتر
(Refine Mesh) شده ، انجام مي شود (شکل ٥).
شکل ٥-نمونه اي ازمدلسازي عددي ومش بندي ديوارميخکوبي شده
انواع ميخها (Nail,Tieback,..)درنر افزارPhase بصورت پيش فرض شناخته شده است . درتحقيق حاضربراي مدل کردن ميخ ازگزينة Fully Bonded استفاده شده که بخوبي قابليت شبيه سازي ميخهاي فاقد پيش تنيدگي را داراست . پوشش شاتکريت نيز در نرم افزار باعنوان Liner شناخته شده است . لذا بااستفاده ازگزي ة مربوطه وبا لحاظ نمودن مشخصات معرفي شده دربخش قبل ، مدلسازي انجام شد. قابل ذکراست رفتار شاتک يت مربوط به پوشش رخپوش ، در نرم افزار Phaseداراي ماهيت رفتاري تيرتعريف مي گردد.
